JP7204663B2 - 慣性計測装置を使用して手術の正確度を向上させるためのシステム、装置、及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、慣性計測装置（inertial measurement unit、ＩＭＵ）、より具体的には、向上した正確度を達成するための、術前、術中、及び術後のそれらの使用に関する。

従来、術前、術中、及び術後の正確度及び成功は、医療用撮像並びに外科用ナビゲーションシステム及び装置の組み合わせを使用して判定される。医療用撮像装置は、コンピュータ断層撮影（computed tomography、ＣＴ）、磁気共鳴（magnetic resonance、ＭＲ）、血管造影又は蛍光透視法などの撮像手段を使用して、医療専門家が患者の関心のある解剖学的エリアを撮像することを可能にするシステム又はシステムセットである。医療用撮像装置は、Ｘ線撮像システム及びＣアームシステムを含む。外科用ナビゲーションシステムは、医療専門家が手術中に患者の解剖学的構造をナビゲートすることを可能にするために、医療用撮像及びカメラ又は他のセンサの組み合わせを使用する。

最適な外科的結果を達成するために、患者の解剖学的構造は、多くの場合、複数回、医療的に撮像される。例えば、患者が脊椎手術などの整形外科手術を受けている場合、患者は、（１）患者の状態及び／若しくは傷害を確認し、必要とされる手術のタイプ及び手術パラメータを識別し、並びに／又は手術日付近の患者の脊椎の正確な状態を判定するために、術前の１つ又は２つ以上のＸ線画像と、（２）手術時に患者の脊椎を評価し、外科用ツール（例えば、ガイドワイヤ、針、ドリル、タップ、ドライバなど）の、それらが動作される際のナビゲーションを提供し、及び／又は実行される各外科的タスクの正確度を判定するために、術中の１つ又は２つ以上のＸ線画像と、（３）手術後の患者の脊椎を評価し、手術によって生じた変化を判定し、及び／又は術前計画に対して手術の成功を確認するために、術後の１つ又は２つ以上のＸ線画像と、に曝露され得る。患者のこのような頻繁な医療用撮像は、患者又は医療スタッフを高線量の放射線に曝露させ、これは、癌などの深刻な医療リスクにつながる場合がある。

放射線への曝露を最小限に抑えるために、患者が対象である医療用画像の数を低減することが望ましい。患者の撮像を低減する１つの手段は、患者の標的解剖学的構造の不正確又は基準以下の画像を取得することを回避することであり、不正確又は基準以下の画像は、撮像システムの位置合わせ不良によって引き起こされ得、それにより、標的解剖学的構造は、撮像システムによって適切又は最適に視認可能ではない。Ｃアームシステムなどの従来の医療用撮像システムは、最適な位置合わせに手動で位置決めされ、このタスクは、時間がかかり、ヒューマンエラーの対象となる。多くの場合、医療用撮像システムは、位置合わせされ、患者が手術されることを可能にするように除去され、手術中に何度も同じ最適なポジションに戻されなければならない。また、ときには、医療用撮像システムは、例えば、整形外科手術中に患者の脊椎の異なる椎弓根などの異なる解剖学的領域に位置合わせするために、単一の手術中に複数の最適なポジションに位置合わせされなければならない。時間及び正確度が更により重要である術中環境では、適切かつ正確な位置合わせの重要性が高い。更に、これらの医療用撮像及び外科用ナビゲーションシステム並びに装置は、購入、維持、及び動作のために費用がかかる。

したがって、放射線への曝露を低減しつつ、医療用撮像及び／又は外科用ナビゲーションを提供するシステム、方法、並びに装置が必要とされている。また、向上した手術の正確度を提供しつつ、従来の手段よりも安価である、そのようなシステム、方法及び装置も必要とされている。

手術の正確度を向上させるために、慣性計測装置（ＩＭＵ）を使用するためのシステム及び方法が提供される。いくつかの例示的実施形態では、向上した手術の正確度は、手術フィードバックを出力することによる手術支援を提供することを含む。手術フィードバックを生成するために、患者の解剖学的構造の３次元（３Ｄ）表現が、患者の医療用画像から生成される。手術パラメータは、生成された３Ｄ表現に基づいて計算される。ＩＭＵは、患者の相対位置を計測するために使用され、同様に、他のＩＭＵは、ＩＭＵ対応ツールの相対位置を計測するために使用される。出力手術フィードバックは、ＩＭＵの計測から得られた手術パラメータ及びデータに基づいて得られる。

他の例示的実施形態では、向上した手術の正確度は、患者の解剖学的構造、手術台、外科用器具、又は医療用撮像並びにナビゲーションシステム及び装置上に位置決めされたか、又はそれらに取り付けられたＩＭＵを使用して、術前、術中、及び術後評価及び／又はフィードバックを提供することを含む。ＩＭＵのセンサから得られたＩＭＵデータは、患者の解剖学的構造、手術台、外科用器具、又は医療用撮像並びにナビゲーションシステム及び装置の絶対ポジション及び／又は相対ポジションを計算するために使用される。ＩＭＵデータは、例えば、外科用ナビゲーション、器具又は装置の位置合わせ及び配置を提供し、術前計画を生成し、手術パラメータを計算し、術中補正を判定し、術後変化を評価するために、医療用画像、カメラなどと組み合わされ得る。

いくつかの実施形態では、手術支援を提供することは、撮像装置から１つ又は２つ以上の医療用画像を受信することを含む。１つ又は２つ以上の医療用画像は、（１）患者の解剖学的構造の１つ又は２つ以上の図、及び（２）既知のサイズの１つ又は２つ以上のマーカーを表す。１つ又は２つ以上の医療用画像に表される患者の解剖学的構造のサイズは、１つ又は２つ以上のマーカーの各々の既知のサイズに基づいて較正される。患者の解剖学的構造の３次元（３Ｄ）表現は、（１）１つ又は２つ以上の医療用画像に表される患者の解剖学的構造に一致する１つ又は２つ以上の解剖学的画像と、（２）１つ又は２つ以上の医療用画像及び３Ｄ表現上で識別された１つ又は２つ以上の解剖学的ランドマークと、に基づいて生成される。手術パラメータは、患者の解剖学的構造の３Ｄ表現に基づいて計算され、第１の慣性計測装置（ＩＭＵ）データは、第１のＩＭＵセットから受信される。患者の実世界の解剖学的構造は、第１のＩＭＵデータに基づいて３Ｄ表現に一致させられる。手術フィードバックは、（１）手術パラメータ、及び（２）１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールに対応する第２のＩＭＵセットから受信された第２のＩＭＵデータのうちの１つ又は２つ以上に基づいて、出力される。

いくつかの実施形態では、患者の解剖学的構造に一致する１つ又は２つ以上の解剖学的画像は、通信可能に連結されたデータベース又はアトラスに記憶された既存の解剖学的画像セットの中から識別され得、最良適合法を使用して患者の解剖学的構造に一致させられ得る。

いくつかの実施形態では、手術パラメータは、（１）骨アンカー挿入位置、（２）骨アンカー軌道、及び（３）骨アンカー深さのうちの１つ又は２つ以上を含み得る。手術パラメータは、患者の解剖学的構造の３Ｄ表現に対して計測され得る。

いくつかの実施形態では、第１のＩＭＵセットは、患者及び／又は患者に対応する手術台上に、患者に対して第１の配向で位置決めされ得る。第１のＩＭＵデータは、ＩＭＵの各々の絶対位置を含み得る。

いくつかの実施形態では、第１のＩＭＵセット内のＩＭＵの各々の相対位置を計算することは、第１のＩＭＵデータに基づく。第１のＩＭＵデータは、ＩＭＵの各々の相対位置を含み得る。

いくつかの実施形態では、患者の実世界の解剖学的構造を３Ｄ表現に一致させることは、ＩＭＵ対応ツールのうちの１つを使用して患者の実世界の解剖学的構造上の接触点に入力要求を提供することと、実世界の解剖学的構造の接触点を３Ｄ表現上の対応する点に関連付けることと、を含む。

いくつかの実施形態では、手術フィードバックの出力は、手術フィードバックをディスプレイ装置上に描画させ得る。手術フィードバックは、患者の解剖学的構造に対する、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールのそれぞれの位置において、３Ｄ表現上に重ねられた１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールの視覚的表現を含み得る。手術フィードバックは、手術パラメータの視覚的表現を更に含み得る。いくつかの実施形態では、既存の解剖学的画像のデータベース又はアトラスは、少なくとも１つのメモリに記憶され得る。

いくつかの実施形態では、外科用ナビゲーションシステムは、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具、カメラ、ＩＭＵベース支援システムを含む。ＩＭＵ対応器具は、ＩＭＵ対応器具の各ＩＭＵからＩＭＵデータを術中に収集する。カメラは、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の術中の移動及び位置を追跡する。ＩＭＵベース支援システムは、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの１つの移動及び位置の追跡でのエラーの存在を判定することと、ＩＭＵデータを１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの少なくとも１つから収集することと、ＩＭＵデータを使用して、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの１つの移動及び位置の追跡を補完することと、によって手術フィードバックを提供する。１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々のＩＭＵは、ＩＭＵ対応器具に埋め込まれるか、又は取り外し可能に取り付けられ得る。カメラは、ＩＭＵを含み得る。

いくつかの実施形態では、エラーの存在が、（１）カメラの視線に対するＩＭＵ対応器具のうちの１つ又は２つ以上の角度が、閾値を超えていることと、（２）ＩＭＵ対応器具のうちの１つ又は２つ以上が、カメラの視線の外側にあることと、（３）カメラが、誤動作することと、のうちの１つ又は２つ以上によってトリガされ得る。

いくつかの実施形態では、手術フィードバックを提供することは、ＩＭＵデータに基づいて、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの１つの補正係数を計算することを含み得る。１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの１つの移動及び位置の追跡の補完は、補正係数を更に使用する。

いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具は、着色マーカーを含み得、カメラは、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の着色マーカーを識別することによって、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の移動及び位置を追跡する。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵデータは、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の絶対位置と、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の相対位置と、を含み得る。１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の相対位置が、カメラによって可視化される際に、（１）１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具と、（２）カメラと、（３）患者の解剖学的構造と、のうちの１つ又は２つ以上に対する、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の位置を示し得る。

いくつかの実施形態では、外科用ナビゲーション方法は、カメラを使用して実施されるＩＭＵ対応器具の移動及び位置の追跡のエラーの存在を判定することであって、ＩＭＵ対応器具が、ＩＭＵを含み、そこからＩＭＵデータを術中に収集するように動作可能である、判定することと、ＩＭＵデータをＩＭＵ対応器具から収集することと、ＩＭＵデータを使用して、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの１つの移動及び位置の追跡を補完することと、によって手術フィードバックを提供することを含む。ＩＭＵ対応器具のＩＭＵは、ＩＭＵ対応器具に埋め込まれるか、又は取り外し可能に取り付けられ得る。ＩＭＵデータは、ＩＭＵ対応器具の絶対位置と、ＩＭＵ対応器具の相対位置と、を含み得る。カメラは、ＩＭＵを含み得る。

いくつかの実施形態では、エラーの存在が、（１）カメラの視線に対するＩＭＵ対応器具の角度が、閾値を超えていることと、（２）ＩＭＵ対応器具が、カメラの視線の外側にあることと、（３）カメラが、誤動作することと、のうちの１つ又は２つ以上によってトリガされ得る。

いくつかの実施形態では、手術フィードバックの提供は、ＩＭＵデータに基づいて、ＩＭＵ対応器具の補正係数を計算することを更に含み得る。ＩＭＵ対応器具の移動及び位置の追跡の補完は、補正係数を更に使用し得る。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵ対応器具は、着色マーカーを含み得、カメラは、ＩＭＵ対応器具の着色マーカーを識別することによって、ＩＭＵ対応器具の移動及び位置を追跡する。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵ対応器具の相対位置が、カメラによって可視化される際に、（１）ＩＭＵ対応器具と、（２）カメラと、（３）患者の解剖学的構造と、のうちの１つ又は２つ以上に対する、ＩＭＵ対応器具の位置を示す。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵベース支援システムは、少なくとも１つのメモリと、少なくとも１つのメモリに連結されたプロセッサと、を含み得る。第１のＩＭＵデータは、第１のインスタンスで第１の物理的ポジションに関与する患者に取り付けられた複数のＩＭＵから収集される。患者の第１の属性は、第１のＩＭＵデータに基づいて計算される。第１のＩＭＵデータ及び第１の属性は、少なくとも１つのメモリに記憶される。第２のＩＭＵデータは、第１のインスタンスの後、第２のインスタンスで第１の物理的ポジションに関与する患者に取り付けられた複数のＩＭＵから収集される。患者の第２の属性は、第２のＩＭＵデータに基づいて計算される。また、患者の解剖学的構造に対する変化は、第１の属性を第２の属性と比較することによって識別される。いくつかの実施形態では、第１のインスタンスは、術前に発生し得、第２のインスタンスは、術中又は術後に発生し得る。

いくつかの実施形態では、複数のＩＭＵは、ストラップ、接着剤、又は衣料のうちの１つ又は２つ以上を使用して、皮膚レベルで患者に取り付けられる。

いくつかの実施形態では、患者の第１の属性及び第２の属性は、患者の柔軟性を各々含む。

いくつかの実施形態では、標準計測値は、少なくとも１つのメモリから、又はネットワークを介して受信される。第１のＩＭＵデータ又は第１の属性は、標準計測値と比較される。患者の状態は、第１のＩＭＵデータ又は第１の属性と標準計測値との比較に基づいて評価される。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵベース支援システムは、少なくとも１つのメモリと、少なくとも１つのメモリに通信可能に連結されたプロセッサと、を含む。第１のＩＭＵデータは、第１のインスタンスで第１の物理的ポジションに関与する患者に取り付けられた複数のＩＭＵから収集される。患者の第１の属性は、第１のＩＭＵデータに基づいて計算される。第１のＩＭＵデータ及び第１の属性は、少なくとも１つのメモリに記憶される。第２のＩＭＵデータは、第１のインスタンスの後、第２のインスタンスで第１の物理的ポジションに関与する患者に取り付けられた複数のＩＭＵから収集される。患者の第２の属性は、第２のＩＭＵデータに基づいて計算される。患者の解剖学的構造に対する変化は、第１の属性を第２の属性と比較することによって識別される。

いくつかの実施形態では、第１のインスタンスは、術前に発生し得、第２のインスタンスは、術中又は術後に発生し得る。

いくつかの実施形態では、複数のＩＭＵは、ストラップ、接着剤、又は衣料のうちの１つ又は２つ以上を使用して、皮膚レベルで患者に取り付けられ得る。

いくつかの実施形態では、患者の第１の属性及び第２の属性は、患者の柔軟性を各々含み得る。

いくつかの実施形態では、標準計測値は、少なくとも１つのメモリから、又はネットワークを介して取得される。第１のＩＭＵデータ又は第１の属性は、標準計測値と比較される。患者の状態は、第１のＩＭＵデータ又は第１の属性と標準計測値との比較に基づいて評価される。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵベースの位置合わせを提供するためのシステムは、患者を撮像するための医療用撮像装置と、ＩＭＵベース支援システムと、を含む。医療用撮像装置は、患者又は手術台に対して移動可能であり、患者又は手術台は、そこに取り付けられた第１のＩＭＵセットを有する。医療用撮像装置は、撮像源及び撮像検出器を含み得、撮像検出器は、そこに取り付けられた第２のＩＭＵセットを有する。ＩＭＵベース支援システムは、医療用撮像装置に通信可能に連結され、第２のＩＭＵセットから第１のＩＭＵデータを受信することであって、第１のＩＭＵデータが、医療用撮像装置が第１のポジションにあるときに得られた情報を含む、受信することと、第２のＩＭＵセットから第２のＩＭＵデータを受信することであって、第２のＩＭＵデータが、医療用撮像装置が第２のポジションにあるときに得られた情報を含む、受信することと、（１）第１のポジションにある医療用撮像装置、又は（２）患者若しくは手術台、に対して計測された第２のポジションの医療用撮像装置の相対ポジションを計算することと、によって、医療用撮像装置の位置合わせを提供する。

いくつかの実施形態では、医療用撮像装置は、Ｃアームであり、Ｃアームの各端に放射器及び検出器を含む。

いくつかの実施形態では、第１のＩＭＵセットは、Ｃアームの放射器及び検出器に取り付けられている。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵベース支援システムは、（１）第２のポジションでの医療用撮像装置の相対ポジションを計算した後に、医療用撮像装置を第１のポジションから第２のポジションにガイドすること、及び／又は（２）第２のポジションでの医療用撮像装置の相対ポジションを計算した後に、Ｃアームを第１のポジションから第２のポジションに駆動すること、によって医療用撮像装置の位置合わせを提供し得る。

いくつかの実施形態では、第１のポジションでは、医療用撮像装置が、患者から離れた地上ポジションにあり、第２のポジションでは、医療用撮像装置が、患者の第１の部分を撮像するように位置合わせされる。

いくつかの実施形態では、第１のＩＭＵデータ及び第２のＩＭＵデータは、医療用撮像装置の位置情報を含み得る。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵベース支援システムが、ディスプレイ装置を介して術中フィードバックを提供し得、術中フィードバックが、患者に対する１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のポジションを示す。術中フィードバックは、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具から受信された第３のＩＭＵデータに基づいて生成され得る。

本開示は、以下の詳細な説明を添付図面と併せ読むことで、より完全に理解されよう。
ＩＭＵベース支援システムを含むシステムアーキテクチャの例示的な実施形態の図である。 ＩＭＵベース支援システムの例示的な構成を使用するためのプロセスの例示的な実施形態のシーケンス図である。 患者の側方、及び後方から前方の図を表す医療用画像の例示的な実施形態である。 外科用ナビゲーションシステムに埋め込まれたＩＭＵベース支援システムの別の構成の例示的な実施形態を例示する。 ＩＭＵベース支援システムと共に使用される外科用器具の側面図である。 パーソナルコンピューティング装置に埋め込まれたＩＭＵベース支援システムの別の構成の例示的な実施形態を例示する。 取り付けられたＩＭＵを有する脊椎の一区分の例示的な実施形態の側面図である。 Ｃアーム撮像システムに埋め込まれたＩＭＵベース支援システムの別の構成の例示的な実施形態を例示する。 Ｃアーム撮像システムに埋め込まれたＩＭＵベース支援システムの構成を使用するためのプロセスの例示的な実施形態のシーケンス図である。

本明細書で開示するシステム及び方法の構造、機能、製造、及び使用の原理が総括的に理解されるように、特定の例示的実施形態をこれから説明する。これらの実施形態のうちの１つ又は２つ以上の実施例が、添付の図面に示されている。当業者であれば、本明細書で詳細に説明され、添付の図面に示されるシステム、装置及び方法は、非限定的で例示的な実施形態である点を理解するであろう。１つの典型的な実施形態に関連して例示又は説明される特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わせることができる。そのような修正及び変形は、本開示の範囲内に含まれるものとする。更に、例えば、機構又は工程が「第１」又は「第２」として説明されている限りにおいて、そのような数値的順序は概して任意であり、したがってそのような番号付けは互換可能であり得る。

本開示は、プロトタイプ又はベンチモデルを含むいくつかの例示及び説明を含む。当業者であれば、消費者で即座に使用することができる、倉庫で即座に使用することができる、又は手術室で即座に使用することができる外科用システムなどの製品に提供される技術、システム、装置、及び方法を統合するために、本開示にどのように依拠するかを認識するであろう。

当業者であれば、本開示には、従来の内視鏡低侵襲性外科処置、及び開放外科処置、並びにロボット支援手術における用途があることを認識するであろう。

本開示の例示的な実施形態は、向上した手術支援を提供する。ＩＭＵのセンサからの計測データは、術前、術中及び／又は術後に収集される。ＩＭＵは、患者の解剖学的構造、手術台、外科用器具、又は医療用撮像並びにナビゲーションシステム及び装置のうちの１つ又は２つ以上に取り付けられるか、又は備えられる。ＩＭＵから得られたデータは、ＩＭＵ及びそれらの対応する物体の絶対ポジション、及び／又はそれらの間の相対位置を計算するために使用され得る。計算された絶対位置及び相対位置を含むＩＭＵから受信されたデータは、とりわけ、外科用ナビゲーション、撮像装置の位置合わせ、術前計画、術中補正、及び術後評価を提供するために、医療用画像、カメラから得られた情報、及び他のデータと連結され得る。

システム
図１は、術前、術中、及び術後環境でのＩＭＵベース支援を提供するためのシステムアーキテクチャ１００の例示的な一実施形態を例示する。示されるように、システムアーキテクチャ１００は、ＩＭＵ１０３並びに医療用装置及びシステム１０５に通信可能に連結されたＩＭＵベース支援システム１０１を含む。

ＩＭＵは、ＩＭＵが取り付けられている物体に関する情報を検出及び報告し得るセンサを備えた電子装置である。ＩＭＵ内のセンサは、例えば、その特定の力、角速度、磁界、回転（例えば、ピッチ、ヨー、ロール）、加速度、ポジション、位置、及び角度基準を含む物体の属性を計測し得る、１つ又は２つ以上の加速度計、ジャイロスコープ、及び磁力計を含み得る。センサは、３軸センサであってもよい。

ＩＭＵ１０３は、ＩＭＵ１０３－１、１０３－２、．．．、及び１０３－ｎ（まとめて「ＩＭＵ」及び／又は「１０３」と称される）を含む。ＩＭＵ１０３の各々は、ＩＭＵ１０３－２及び１０３－ｎなどのスタンドアロンＩＭＵであってもよく、又はＩＭＵ１０３－１などの医療用又は外科用のツール又は器具（以下、「ＩＭＵ対応ツール」又は「ＩＭＵ対応器具」と称される）上に備えられ得る。３つのＩＭＵが図１に例示されているが、任意の数のＩＭＵ及びＩＭＵ対応ツールが存在し、ＩＭＵベース支援システム１０１に通信可能に連結され得ることを理解されたい。

図１に示されるように、ＩＭＵ１０３－１は、ＩＭＵ対応ツール１０４－１上に備えられる。ＩＭＵ対応ツールは、外科手術環境で使用され得る器具、装置などである。ＩＭＵ対応であり得る、整形外科手術環境で使用されるツールの非限定的な例としては、ガイドワイヤ、針、タップ、ドライバ、ドリル、カッター、ブレード、骨スキッド、リトラクタ、アクセス装置、及び鉗子、並びに骨アンカー、スペーサ、ケージ、ロッド、プレート、コネクタなどのインプラントが挙げられる。いくつかの実施形態では、ＩＭＵ対応ツールは、複数の外科用ツールを含むアレイとすることができる。ツールの各々は、ＩＭＵを伴って製造され得るか、又は製造後の後の時点で、恒久的又は取り外し可能に、それに追加されるＩＭＵを有し得る。

ＩＭＵ１０３は、当業者に既知の有線又は無線通信手段を介して、それらのそれぞれのセンサによって収集されたデータを、他の通信可能に連結されたシステム及び装置に送信し得る。例えば、ＩＭＵ１０３は、ＩＭＵベース支援システム１０１と、又は医療装置及びシステム１０５と、互いに通信し得る。いくつかの実施形態では、無線通信能力を有するＩＭＵは、当業者に既知の、Ｗｉ－Ｆｉ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、及び他の短距離無線周波数手段を使用して、互いに、並びに他のシステム及び装置と通信し得る。

医療用装置及びシステム１０５は、Ｃアームシステム１０５－１、医療用撮像装置１０５－２、及び外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎのうちの１つ又は２つ以上を含み得るが、外科手術環境で使用される任意の数及びタイプの装置及びシステムが、医療用装置及びシステム１０５の中に含められ得ることを理解されたい。医療用装置及びシステム１０５の各々は、プロセッサ、メモリ、ディスプレイ装置、並びに有線及び／又は無線通信手段のうちの１つ又は２つ以上を含み得る。Ｃアームシステム１０５－１は、診断及び外科処置に使用されるＸ線透視システムである。医療用撮像装置１０５－２は、術前環境の患者の医療用画像を生成するためのＸ線機械とすることができる。いくつかの実施形態では、Ｃアームシステム１０５－１及び医療用撮像装置１０５－２は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、血管造影又は蛍光透視法を含む当該技術分野で既知の他の撮像手段を利用し得ることを理解されたい。外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎは、互いに及び患者に対して追跡され得る様々な器具からなるシステムである。Ｃアームシステム１０５－１、医療用撮像装置１０５－２及び外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎは、図２～図９を参照して以下で更に詳細に更に説明される。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、プロセッサ、メモリ、ディスプレイ装置、及び通信手段のうちの１つ又は２つ以上を含むスタンドアロンシステムである。例えば、ＩＭＵベース支援システム１０１は、パーソナルコンピューティング装置、モバイルコンピューティング装置、タブレットなどに、部分的又は完全に統合、埋め込み、又は実装され得る。以下に図２～図９を参照して以下に更に詳細に説明されるように、システム１０１のディスプレイ装置は、システム１０１によってＩＭＵ１０３並びに／若しくは医療装置及びシステム１０５から得られたデータ、又はシステム１０１によって計算若しくは生成されたデータを含む、情報を出力、表示、又は描画する。他の実施形態では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、ＩＭＵ（例えば、ＩＭＵ１０３－２、１０３－ｎ）、ＩＭＵ対応ツール（例えば、ＩＭＵ１０３－１）並びに／若しくは医療装置及びシステム１０５のうちの１つの一部であるか、それらと一緒に収容されるか、それらに埋め込まれるか、又はそれらに統合される。そのようなシナリオでは、システム１０１は、ＩＭＵ、ＩＭＵ対応ツール、並びに医療装置及びシステムのメモリ、プロセッサ、ディスプレイ、及び／又は通信手段を使用又は共有し得る。

ＩＭＵベース支援システム１０１、ＩＭＵ１０３又はＩＭＵ対応ツール、並びに医療用装置及びシステム１０５のうちの１つ又は２つ以上が、人間によって又はロボットシステムによって動作又は相互作用され得ることを理解されたい。

第１の実施形態
図２は、術中フィードバックを提供するためのＩＭＵベース支援システム１０１の構成の１つの例示的な実施形態を例示するシーケンス図２００である。より具体的には、図２に関連して説明される例示的な実施形態では、ＩＭＵベース支援システム１０１によって提供される術中フィードバックは、骨アンカー（例えば、椎弓根又は外側塊ねじ）を挿入又は移植するためのガイダンスを含む。工程２５０に示されるように、撮像装置１０５－２は、術前環境の患者の医療用画像を取得する。工程２５０で得られた医療用画像は、Ｘ線であるが、医療用画像は、磁気共鳴（ＭＲ）、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、及び蛍光透視法を含む、当該技術分野で既知の様々なテクノロジー及び技術を使用して取得され得る。

いくつかの実施形態では、工程２５０で得られた医療用画像は、患者が起立ポジションにある間に患者から取得されるが、患者が任意のポジションで撮像され得ることを理解されたい。医療用画像は、前方から後方の図及び側面図などの患者の図の視覚的表現である。患者は、患者と共に、同様に医療用画像上に視覚的に表される、当該技術分野で一般的に既知のＸ線マーカーなどの１つ又は２つ以上の放射線写真フィルム識別マーカーを使用して撮像される。マーカーはまた、当業者によって理解されるように、解剖学的特徴の識別に基づいて手動又は自動化技術を用いて画像が撮影された後に確立されてもよい。Ｘ線マーカーのサイズなどの特性は、既知であるか、又は撮像装置１０５－２及び／若しくはＩＭＵベース支援システム１０１によって計算されることができる。

図３は、それぞれ、患者の脊椎の側面図、及び前方から後方の図を表すＸ線である、医療用画像３１０及び３１２の１つの例示的な実施形態を例示する。医療用画像３１０及び３１２で識別されるものは、患者の椎弓根中心及び棘突起縁である。医療用画像３１０及び３１２の各々はまた、Ｘ線の生成中に使用されるか、又は解剖学的特徴の識別の手動又は自動化方法によるＸ線レビュー中に生成される、マーカー３１４の視覚的表現を含む。フローチャート２００と関連して詳細に説明されるように、医療用画像３１０及び３１２などの医療用画像が、患者の術中フィードバックを提供するために使用される。

医療用画像３１０及び３１２は、工程２５２で撮像装置１０５－２からＩＭＵベース支援システム１０１に送信される。医療用画像は、有線又は無線通信手段によって送信され得る。いくつかの実施形態では、医療用画像は、ＩＭＵベース支援システム１０１のカメラ又は他の入力若しくは撮像装置を使用して医療用画像を撮影することによって、ＩＭＵベース支援システム１０１に送信される。いくつかの実施形態では、医療用画像は、単一の医療用画像として送信されるか、又はそれにコンパイルされる。以下、医療用画像は、患者の１つ又は２つ以上の図を表す１つ又は２つ以上の医療用画像（又は医療用画像の写真）のグループ化を指し得る。

工程２５２で得られた医療用画像を使用して、ＩＭＵベース支援システム１０１は、工程２５４で、医療用画像に視覚的に表される解剖学的構造（又は患者の身体の一部）のサイズを較正する。例えば、解剖学的構造のサイズを較正するために、システム１０１は、工程２５０で患者の撮像中に使用されるマーカーを識別し、これが医療用画像内に視覚的に表され、そのサイズを取得又は計算する。マーカーのサイズを有することは、システム１０１が、その倍率及び医療用画像が取得された患者からの距離などの、視覚的に表された解剖学的構造及び医療用画像の属性を計算することを可能にする。当業者に既知の様々な較正アルゴリズムが工程２５２で使用され得ることを理解されたい。Ｘ線倍率及び較正を計算するためのこのようなアルゴリズムの例は、例えば、Ｇｏｒｓｋｉ，Ｊ．Ｍ．，ａｎｄ Ｓｃｈｗａｒｔｚ，Ｌ．「Ａ Ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ Ｍｅａｓｕｒｅ Ｘ－ｒａｙ Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｒｅｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ Ｃｅｍｅｎｔｌｅｓｓ Ａｒｔｈｒｏｐｌａｓｔｙ，」 Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ２０２（１９８６）：３０２－３０６、Ｃｏｎｎ，Ｋ．Ｓ．，Ｍ．Ｔ．Ｃｌａｒｋｅ，ａｎｄ Ｊ．Ｐ．Ｈａｌｌｅｔｔ，「Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｇｕｉｄｅ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｓ ａｎｄ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｐｒｅｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｌａｔｉｎｇ，」 Ｂｏｎｅ ＆ Ｊｏｉｎｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ８４．２（２００２）：２６９－２７２、Ｔｈｅ，Ｂ．，ｅｔ ａｌ．，「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｅｌｖｉｃ Ｘ－ｒａｙｓ ｆｏｒ Ｐｒｅｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ Ｈｉｐ Ｊｏｉｎｔ Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａ Ｎｅｗ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，」 Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３２．８（２００５）：２５８０－２５８９、Ｋｉｎｇ，Ｒ．Ｊ．，ｅｔ ａｌ．「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｒａｄｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｐ，」 Ｂｏｎｅ ＆ Ｊｏｉｎｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ９１．９（２００９）：１２１７－１２２２、Ｓｃｈｕｍａｎｎ，Ｓ．，Ｔｈｅｌｅｎ，Ｂ．，Ｂａｌｌｅｓｔｒａ，Ｓ．，Ｎｏｌｔｅ，Ｌ．Ｐ．，Ｂｕｃｈｌｅｒ，Ｐ．，＆Ｚｈｅｎｇ，Ｇ．，「Ｘ－ｒａｙ Ｉｍａｇｅ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃｓ，」 Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｐｈｙｓｉｃｓ（２０１４）：３６（７），９６８－９７４に説明され、これらの内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

次に、工程２５６では、工程２５４で較正された解剖学的構造の３次元（３Ｄ）表現が生成される。３Ｄ表現は、較正された解剖学的構造を、較正された解剖学的構造のタイプに対応する既存の２次元及び３次元の解剖学的画像に一致させることによって作成される。３Ｄ表現を生成するために使用される既存の解剖学的画像は、システム１０１によって、又はＩＭＵベース支援システム１０１に通信可能に連結されているサードパーティプロバイダシステムによって、記憶及び管理された画像の１つ又は２つ以上のデータベース、アトラス、又はリポジトリから得られる。いくつかの実施形態では、較正された解剖学的構造の３Ｄ表現を生成することは、較正された解剖学的構造に最も厳密に一致するか、又は類似している画像のデータベース、アトラス又はリポジトリから１つ又は２つ以上の２次元又は３次元の解剖学的画像を識別する最良適合法を使用して実施される。識別された一致又は類似する画像は、較正された解剖学的構造の３Ｄ表現を生成するために、単独で、又は互いに組み合わせて使用され得る。解剖学的画像を識別するためのこのようなアルゴリズムの例としては、例えば、Ｂａｋａ，Ｎｏｒａ，ｅｔ ａｌ．「２Ｄ－３Ｄ ｓｈａｐｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｌ ｆｅｍｕｒ ｆｒｏｍ ｓｔｅｒｅｏ Ｘ－ｒａｙ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｓｈａｐｅ ｍｏｄｅｌｓ，」Ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ １５．６（２０１１）：８４０－８５０、Ｍａｒｋｅｌｊ，Ｐｒｉｍｏｚ，ｅｔ ａｌ．「Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ３Ｄ／２Ｄ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｉｍａｇｅ－ｇｕｉｄｅｄ ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎｓ，」Ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ １６．３（２０１２）：６４２－６６１、Ｌａｍｅｃｋｅｒ，Ｈａｎｓ，Ｔｈｏｍａｓ Ｈ．Ｗｅｎｃｋｅｂａｃｈ，ａｎｄ Ｈ－Ｃ．Ｈｅｇｅ．「Ａｔｌａｓ－ｂａｓｅｄ ３Ｄ－ｓｈａｐｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｘ－ｒａｙ ｉｍａｇｅｓ，」Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，２００６．ＩＣＰＲ ２００６．１８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ．Ｖｏｌ．１．ＩＥＥＥ，２００６、Ｓａｒｋａｌｋａｎ，Ｎａｚｌｉ，Ｈａｒｒｉｅ Ｗｅｉｎａｎｓ，ａｎｄ Ａｍｉｒ Ａ．Ｚａｄｐｏｏｒ，「Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｂｏｎｅｓ，」Ｂｏｎｅ ６０（２０１４）：１２９－１４０、及びＺｈｅｎｇ，Ｇｕｏｙａｎ，ｅｔ ａｌ．，「Ａ ２Ｄ／３Ｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐａｔｉｅｎｔ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ３Ｄ ｂｏｎｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｅｌ ｕｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ Ｘ－ｒａｙ ｉｍａｇｅｓ，」Ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ １３．６（２００９）：８８３－８９９に説明されるものを含む、アトラス幾何学及び／又は統計的形状モデルに基づく骨モーフィングアルゴリズムが挙げられ、これらの文献の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

いくつかの実施形態では、工程２５６に関連して説明された３Ｄ表現を生成するプロセスは、（１）医療用画像内に表される患者の解剖学的構造上の特定の解剖学的ランドマークの識別、及び（２）生成された３Ｄ表現上の対応する点への識別された解剖学的ランドマークの一致化によって、支援される。この情報、及び医療用画像内のマーカーを使用して計算された情報（例えば、解剖学的構造のサイズ）を使用して、患者の解剖学的構造の医療用画像が、３Ｄ表現に対してより正確にマッピングされ得る。この識別及び一致化はまた、システム１０１が、３Ｄ表現内の正確度又はエラーを確証することを可能にし、最終的に結果として得られた３Ｄ表現が最適であり、可能な限り較正された解剖学的構造を表すことを確実にするために是正措置を取ることを可能にする。

更に、解剖学的ランドマークのこの識別及び一致化は、コンピューティング装置、ロボットシステム、又は人間のうちの１つ又は２つ以上を使用して実施され得る。例えば、いくつかの実施形態では、較正された解剖学的構造の医療用画像及び３Ｄ表現は、ＩＭＵベース支援システム１０１のディスプレイ装置によって、同時に又は順次に、図解描画される。ディスプレイ装置は、ユーザに、図解描画された医療用画像内の指定された解剖学的ランドマークを識別するように入力要求する。ユーザは、必要とされるランドマークを正確に識別することができる様々な医療専門家のいずれかであり得る。例えば、医療用画像内に表される解剖学的構造が脊椎又はその一部分であるとき、ユーザは、図３に例示されるように、椎弓根又は椎弓根中心、棘突起縁、正中線軸、又は椎間板などの解剖学的ランドマークを識別するように入力要求される。ユーザは、マウス、キーボード、マイクロフォン、タッチパッド、タッチスクリーンなどの当該技術分野で既知の様々なコンピューティング入力装置のいずれか、並びにクリック、タップ、選択、音声認識などの当該技術分野で既知の様々な入力技術を使用して、表示された医療用画像上の要求された解剖学的ランドマークを識別し得る。

一旦ユーザが医療用画像上の要求された解剖学的ランドマークのうちの１つ又は全てを識別すると、ユーザは、患者の較正された解剖学的構造の表示された３Ｄ表現上の一致する解剖学的ランドマークを識別するように、同様に入力要求される。したがって、システム１０１は、識別及び一致プロセスから得られた情報に基づいて、３Ｄ表現が不足しているか否かを判定し得る。例えば、要求された解剖学的ランドマークが医療用画像上で識別されるが、３Ｄ表現上で識別可能ではないか、又は医療用画像上で識別された解剖学的ランドマークが、３Ｄ表現上に予想外のサイズ若しくは位置決めを有するように見える場合、システム１０１は、より正確な３Ｄ表現に修正し得るか若しくはそれを生成し得るか、又は解剖学的構造のサイズを再較正し得る。解剖学的ランドマークの識別及び一致化を含む、工程２５６の３Ｄ表現の生成は、適切な正確度の３Ｄ表現が生成されるまで繰り返され得る。適切な正確度の３Ｄ表現は、３Ｄ表現を見るユーザによって、又は３Ｄ表現と医療用画像との間で許容される偏差量を決定する閾値及び／若しくは規則を使用することによって、リアルタイムで判定され得る。最終的に結果として得られた３Ｄ表現はまた、「第１の画像」又は「術前画像」とも称され得る。

工程２５８では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、解剖学的データを使用して、工程２５６で生成された術前３Ｄ表現から手術パラメータを計算する。いくつかの実施形態では、ＩＭＵベース支援システムは、解剖学的構造の統計的形状モデル及び計画された軌道を使用して手術パラメータを計算し、次いで、このモデルをモーフィングして、Ｘ線から導出される対象患者の解剖学的構造を修正する。手術パラメータの非限定的な例としては、（１）骨アンカーが固定される１つ又は２つ以上の骨又は骨セグメントの識別、（２）骨アンカー入口点、（３）骨アンカーが打ち込まれる軌道の標的座標、及び（４）骨アンカーが打ち込まれる深さが挙げられる。

次に、工程２５８では、ＩＭＵデータが、ＩＭＵベース支援システム１０１によって、システム１０１と無線で連結されているＩＭＵ２０３の各々から得られる。ＩＭＵデータは、例えば、配向及び位置などの検出されたデータを記述する回転行列及び並進ベクトルを含み得る。本例示的な実施形態では、ＩＭＵ２０３は、ＩＭＵ１０３－２及び１０３－ｎを含む、複数のスタンドアロンＩＭＵである。ＩＭＵデータを得る前に、術中環境では、ＩＭＵ２０３は、特定の配向で位置合わせされた手術台又は患者のいずれかに配置される。つまり、例えば、ＩＭＵは、患者の解剖学的構造の矢状面と位置合わせされ、重力に対して垂直であるように配向され得る。ＩＭＵ２０３は、術中環境での患者へのアクセスを有する医療専門家などによって位置決め及び／又は位置合わせされ得る。ＩＭＵ２０３は、次いで、オンにされ、ＩＭＵデータが、ＩＭＵの無線通信手段（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）によってシステム１０１に送信される。ＩＭＵデータは、ＩＭＵ２０３の各々によって入力要求されずにシステム１０１に報告され得るか、又はシステム１０１によって要求されてシステム１０１に送信され得る。ＩＭＵ２０３によって報告されたＩＭＵデータは、ＩＭＵ２０３の各々の絶対位置及び／又はそれらの相対位置などの、ＩＭＵの各々のセンサによって生成及び収集された情報を含む。

工程２６２では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、患者の実世界の解剖学的構造上の特定の点に接触するために、使用されることになるＩＭＵ対応外科用ツールに対して入力要求する。いくつかの実施形態では、接触されるべき点は、工程２５６に関連して上述された解剖学的ランドマークに対応する。これらの点を接触させることによって、実世界の空間内の点を、システム１０１によって生成及び記憶された３Ｄモデルに一致させることが可能である。システム１０１による入力要求は、システム１０１のディスプレイ装置を介して行われ得る。例えば、ＩＭＵベース支援システム１０１は、ＩＭＵベース外科用ツールを使用して接触されるべきエリアのリストを表示し得るか、又は患者の解剖学的構造の視覚的表現上にそれらの所望される接触点を表示し得る。入力要求は、各後続の入力要求が、以前の入力要求で入力要求された点が接触された後のみに提示されるように、一度に１つの点で実施され得ることを理解されたい。又は、全てのポイントが、単一の入力要求を使用するように入力要求され得る。

工程２６４では、工程２６２で入力要求された点に接触するために使用されるＩＭＵ対応ツール１０３－１が、ＩＭＵベース支援システム１０１に接触情報を送信する。上で考察されるように、接触されるべき点が、個別に又はグループとして入力要求され得るため、接触情報が送信される様式は、適宜変化し得る。ここで、工程２６４では、ＩＭＵ対応ツール１０３－１は、ＩＭＵ対応ツール１０３－１がそのような点に接触するたびに、入力要求された点に接触したことを示す情報を送信する。各接触点についてＩＭＵ対応ツール１０３－１によって送信される接触情報は、点が接触されたことの指示、及び／又は患者の解剖学的構造上で接触した各特定点の座標を含み得る。

各接触点の座標は、ＩＭＵ対応ツール１０３－１のＩＭＵ内のセンサから得られる。これらの座標は、例えば、手術台又は患者上に位置決めされたＩＭＵに対して、空間内のＩＭＵ対応外科用ツールと触れる患者の解剖学的構造の各特定点の位置を示し得る。次に、工程２６６では、ＩＭＵベース支援システム１０１が、患者の解剖学的構造上の特定の点の座標を示す、工程２６４で受信された情報を使用して、工程２５６で生成された術前画像内に表される解剖学的構造に対して患者の実世界の解剖学的構造を判定し、一致させる。これは、患者の実世界の解剖学的構造と術前３Ｄ表現の解剖学的構造との間の対応する解剖学的点又はランドマークを相関させることによって達成され得る。一旦実世界の解剖学的構造が術前３Ｄ表現に一致させられると、システム１０１は、患者の実世界の解剖学的構造及びＩＭＵ対応外科用ツールの位置を、互いに対して、かつ術前３Ｄ表現で表される解剖学的構造に対して、認識するか、又は判定し得る。この情報を使用して、術中環境では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、工程２５８で計算された手術パラメータの適用を提供、適用、又は検証し得る。

一旦患者の実世界の解剖学的構造が患者の術前３Ｄ表現と一致させられると、システム１０１は、ＩＭＵベース支援システム１０１が他のツールと併せて使用される準備ができているという指示を提供し得る。例えば、図２に示されるように、椎弓根調製ツールなどのツール２０４が、手術環境で使用されることになる。それゆえに、システム１０１は、ＩＭＵ対応であるツール２０４が使用される準備ができていることを示すことができる。

したがって、工程２６８では、ツール２０４が手術に使用されるとき、ＩＭＵベース支援システムは、様々な術中フィードバックを提供し得る。術中フィードバックは、取得又は計算された手術パラメータ、術前３Ｄ表現画像、３Ｄ表現に一致する患者の解剖学的構造、及び／又はＩＭＵデータに部分的に基づいて判定され得る。フィードバックは、ツール２０４の使用により、リアルタイム又は実質的にリアルタイムで提供され得る。術中フィードバック、並びにそれを生成するために使用される、ツールの計測された配置及び動作などの情報（例えば、手術パラメータに対する）が、システム１０１のメモリに記録され得ることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、システム１０１は、工程２６８では、ツール２０４の視覚的表現、及び患者の解剖学的構造又は術前３Ｄ表現画像に対する、ツールの位置を表示する。ツール２０４の位置は、ツール２０４のＩＭＵのセンサによって生成された位置データ、患者の解剖学的構造及び／又は術前３Ｄ画像（工程２６６と関連して説明されるように、互いに一致し得る）から得られ得る。

いくつかの実施形態では、ツール２０４の視覚的表現は、患者の解剖学的構造の術前３Ｄ画像の上に重ねられて、リアルタイム又は実質的にリアルタイムで示され得る。計算された手術パラメータはまた、ツール２０４の視覚的表現と併せて表示され得る。したがって、システム１０１は、手術パラメータと比較されたツールの位置のリアルタイムフィードバックを提供し得る。例えば、ツールが動作するとき、ディスプレイは、視覚的に表されたツールの軌道、及び術前画像の標的軌道を描画する。同様に、視覚的に表されたツールは、骨アンカーが固定される、識別された骨、骨アンカー入口点、骨アンカーの標的深さなどと共に示され得る。このようにツールの視覚的表現を表示することは、手術パラメータに一致するように、ツールの動作のリアルタイムフィードバック及び補正を可能にする。いくつかの例示的な実施形態では、システム１０１は、角度計測などの、ＩＭＵ対応ツール２０４の他の計測値を表示し得る。

いくつかの実施形態では、工程２６８で提供される術中フィードバックは、計算された手術パラメータからのＩＭＵ対応手術ツール動作の特定の偏差量を示す通知、警告などを含む。

第２の実施形態
図４は、ＩＭＵベース支援システム１０１の構成の別の例示的な実施形態を例示する。図４では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎを使用して実施される手術をナビゲートするために、エラー補正などの向上した正確度を提供する。図４のＩＭＵベース支援システム１０１は、システム１０１が、ナビゲーションシステム１０５－ｎのハードウェア（例えば、プロセッサ及びメモリ）及び／又はソフトウェアリソースを共有するように、外科ナビゲーションシステム１０５－ｎに組み込まれている。しかしながら、いくつかの実施形態では、図４に関連して説明されるシステム１０１及び１０５－ｎの機能性が、互いに通信している、スタンドアロンＩＭＵベース支援システム１０１及びスタンドアロン外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎを使用して提供され得ることを理解されたい。

図１に関連して上述されたように、外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎは、患者の解剖学的構造に対して術中に追跡され得る、１セットの器具（ツール）及び装置を含むシステムである。図４に示されるように、外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎは、器具アレイ４０５－１、カメラ４０５－２、器具シャフト４０５－３、及びディスプレイ装置４０５－４を含む。図４には表示されていないが、外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎが、他のタイプ及び数の器具及び装置を含み得ることを理解されたい。

従来の外科用ナビゲーションシステムは、カメラを使用して、その器具の位置及び位置決めを追跡して、カメラに対するアレイの移動を識別する。しかしながら、従来のナビゲーションシステムの正確度は、器具がカメラの視野から外に回転されたとき、例えば、器具アレイがカメラの視線から外に１８０度反転されたときに、低下する。この点に関して、従来のナビゲーションシステムからの欠点に対処するために、外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎは、器具アレイ４０５－１及び／又は器具シャフト４０５－３に備えられたＩＭＵを追加的又は代替的に含む。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵは、ナビゲーションシステムの製造中に器具に追加され得るが、図４では、ＩＭＵは、製造後に器具アレイ４０５－１及び器具シャフト４０５－３に取り外し可能に取り付けられている。図２に関連して更に詳細に上述されたように、ＩＭＵは、それらが取り付けられたオブジェクトの属性を計測及び報告し得るセンサを含む。それゆえに、ＩＭＵ対応器具アレイ４０５－１及びシャフト４０５－３は、それらの絶対位置、回転、角度などに関する情報と共に、互いに対する、並びにナビゲーションシステム１０５－ｎの他の器具及び装置に対する、又は患者に対する、器具アレイ４０５－１及びシャフト４０５－３のこれらの属性及び他の属性を収集し得る、それらのそれぞれのＩＭＵ内のセンサを含む。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵ対応器具４０５－１及び４０５－３は、ＩＭＵ対応器具の計測されたデータをＩＭＵベース支援システム１０１に報告し得る。計測されたデータは、器具の動作、患者の解剖学的構造、患者の解剖学的構造の撮像、及び手術パラメータの計算と関連して、エラー補正などの術中フィードバックを提供するために使用され得る。一方、ＩＭＵ対応器具アレイ４０５－１及び器具シャフト４０５－３がカメラ４０５－２と共に動作するように構成される、いくつかの実施形態では、ＩＭＵ対応器具は、カメラのみの使用と比較して更なる正確度及び／又はエラー補正を提供し得る。

エラー補正の１つの非限定的な例は、ＩＭＵベース支援システム１０１及び外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎが、カメラがそれぞれの追跡アレイの部位を見失い得る、視覚的ナビゲーションシステムでの視線問題から結果として生じるものなどの、追跡エラーの可能性を識別するときに、補正因子を適用することを含む。ＩＭＵは、相対角度変化を検出することができ、この変化を外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎに報告し得る。角度変化がカメラ４０５－２の計測値と異なる場合、又はカメラがもはや器具アレイを見ることができない場合、ＩＭＵによって計測された３次元角度変化が、カメラ４０５－２の視野を去る前の器具の最後の既知のポジションに追加される。ナビゲーションシステムは、次に、器具がカメラ４０５－２の正確な視野に戻ってくるまで、器具の更新された位置及び軌道を表示する。例えば、外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎは、器具アレイ４０５－１（又は別の器具）がカメラ４０５－２から離れて回転又は角度付けられたこと、又は予め識別されたか、若しくはリアルタイムで計算された閾値に基づいて判定されるように、別様に不明瞭化され、エラーを誘発する可能性が十分に高いことを検出し得る。そのような場合、カメラ４０５－２は、十分な精度で器具アレイ４０５－１の位置及び／又は他の属性をもはや正確に計測することができないと見なされる。したがって、ＩＭＵベース支援システム１０１は、カメラ４０５－２から得られたツールの計測値を補完するために、ＩＭＵ対応器具のＩＭＵからデータを取得する。言い換えると、一旦器具アレイ４０５－１がもはやカメラ４０５－２によって確実に追跡できなくなると、ＩＭＵ対応器具アレイ４０５－１のセンサは、データを取得してシステム１０１にデータを送信する。ＩＭＵベース支援システム１０１及びナビゲーションシステム１０５－ｎは、それらのＩＭＵデータ及びカメラ位置決め情報を共有して、それらのポジションなどの、器具４０５－１及び４０５－３に関するエラー訂正情報を生成する。器具４０５－１及び４０５－３に関するエラー訂正情報は、ディスプレイ４０５－４が、器具、患者の解剖学的構造、患者の解剖学的構造の撮像、又は手術パラメータのうちの１つ又は２つ以上の視覚的表現をシームレスに表示し続けることを可能にする。

器具４０５－１及び４０５－３をＩＭＵで補完することによって、ナビゲーションシステム１０５－ｎの範囲は、カメラ４０５－２の視野を効果的に増大させ、かつそのブラインドスポットを低減又は排除することによって拡張され得る。

第３の実施形態
ＩＭＵベース支援システム１０１の構成の別の例示的な実施形態は、外科用ツールの視覚的追跡を提供するために使用される。本実施形態では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、そのような外科用ナビゲーションシステム及びそれと関連する高いコストを必要とせずに、図４と関連して上述された外科用ナビゲーションシステム１０５－ｎと同様のナビゲーションを提供する。

代わりに、例示的な本実施形態では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、プロセッサ、メモリ、ディスプレイ装置、及びカメラを含む。ＩＭＵベース支援システムのカメラは、ＩＭＵベース支援システム１０１の他の構成要素と共に収容されてもよく、又はシステム１０１の残部に通信可能に連結された（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈを使用して）別個の装置として提供されてもよい。いくつかの実施形態では、カメラは、手術台装着カメラなどのように、静的に位置決めされる。ＩＭＵベース支援システムは、外科用器具及び／又はインプラントに連結されたＩＭＵと無線通信する。図５に示されるように、外科用器具はまた、以下に説明されるようにカメラを使用して外科用器具を追跡するために使用され得る器具を一意的に識別する、色、パターン、組み合わせなどを有する球形又はフラグなどの、それらに取り付けられたマーカー５１５を有する。

術中環境では、ＩＭＵベース支援システム１０１のカメラは、カメラによって保存された画像内の各器具上に取り付けられた又は備えられたマーカーを識別及び追跡することによって、器具の位置、角度、配向、及び他の属性を計測し得る。更に、ＩＭＵ対応器具のＩＭＵの各々は、そのセンサから計測データを収集し、それをＩＭＵベース支援システム１０１に送信し得る。ＩＭＵ計測データは、ＩＭＵ対応器具の各々の互いに又は他のＩＭＵに対して、図２と関連して上述された様々な計測値を含む。

図４と関連して上述されたように、ＩＭＵベース支援システム１０１は、本実施形態のＩＭＵベース支援システム１０１のカメラから得られた計測値を、ＩＭＵ対応器具のＩＭＵによって収集及び報告されたＩＭＵ計測データと補完し得る。このようにして、システム１０１の静的に位置決めされたカメラから結果として得られるブラインドスポット及び視線問題は、ＩＭＵ計測データを用いて不正確な又はエラーを起こし易いカメラ計測データを補正することによって低減又は排除され得る。

ＩＭＵ計測データを用いてカメラ計測データを補完することによって、ＩＭＵベース支援システム１０１のディスプレイは、カメラが器具の位置、角度、配向、及び他の属性を正確に計測することができないときであっても、連続的な術中フィードバックを提供し得る。

いくつかの実施形態では、ＩＭＵ計測データは、主ナビゲーション情報として使用され得、カメラから得られた計測値は、必要に応じてＩＭＵデータを補正するために使用され得る。例えば、カメラから得られた絶対ポジション及び／又は配向情報は、ＩＭＵから得られる相対ポジション及び／又は配向計測値で発生し得るドリフトエラーを補正するために、周期的に使用され得る。いくつかの実施形態では、ＩＭＵは、省略されてもよく、器具は、マーカー及びカメラのみを使用して追跡され得る。

第４の実施形態
図６は、ＩＭＵベース支援システム１０１の構成の別の例示的な実施形態を例示する。図６では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、術前計画並びに術中及び術後評価能力を提供する。示されるように、図６に例示されるＩＭＵベース支援システム１０１は、スマートフォン、タブレット、又は類似のコンピューティング装置に提供されるか、又はそれらと併せて使用される。

術前環境では、１つ又は２つ以上のＩＭＵが、患者６２０に取り付けられて、患者６２０に関する所望される属性を計測し得る。例えば、脊椎手術のための術前環境では、ＩＭＵは、皮膚レベルで、患者６２０の脊椎、骨盤、臀部、頭部、及び／又は大腿に取り付けられ得る。皮膚レベルは、患者の皮膚の上又は実質的に隣接するエリアを指す。ＩＭＵが患者６２０に取り付けられる手段の非限定的な例としては、ストラップ、接着剤、又はＩＭＵを備えられた衣類（例えば、シャツ、ベスト）を使用することが挙げられる。

次に、患者の柔軟性、運動範囲、歩行、又は他のパラメータが、図６に例示される前屈姿勢などの様々な物理的姿勢を取るように患者６２０に入力要求することによって計測される。患者６２０に入力要求することは、ＩＭＵベース支援システム１０１のディスプレイ装置を介して、患者６２０によって取られる姿勢を表示することによって実施され得る。いくつかの実施形態では、システム１０１のカメラは、患者が姿勢を取る際に、それが姿勢に対する入力要求に一致することを確実にするために、患者を撮影又は記録し得る。いくつかの実施形態では、写真又は映像の記録は、別個の装置を使用して保存され、処理のためにシステム１０１に送信され得る。一旦患者６２０がシステム１０１によって入力要求された姿勢を取ると、ＩＭＵベース支援システム１０１は、患者６２０に取り付けられたＩＭＵからセンサデータを取得及び／又は要求する。センサデータは、とりわけ、患者６２０に取り付けられたＩＭＵの各々の相対ポジションを含む。例えば、ＩＭＵから取得及び／又は要求されたセンサデータを使用して、システム１０１は、患者の骨盤に対する患者の頭部及び頚椎の相対ポジション及び／又は角度を計算し得る。

センサデータを使用してシステム１０１によって判定される、患者の柔軟性、運動範囲などは、患者の状態を診断し、及び／又は患者の標的若しくは所望される柔軟性を識別するために、システム１０１のメモリから取得され得る、客観的標準に対して比較され得る。例えば、所望される又は標的柔軟性を含む術前計画は、柔軟性の客観的標準計測値を使用して、医療専門家及び／又はコンピューティングシステム（例えば、ＩＭＵベース支援システム１０１）によって判定され得る。

術中環境では、術前に得られた患者６２０の計測値が、患者を評価するために、及び必要な場合、必要に応じて補正を行うために使用され得る。より具体的には、術前に患者に取り付けられたＩＭＵのうちの１つ又は２つ以上は、患者が手術を受けている間、患者に残され得る。いくつかの実施形態では、追加のＩＭＵが、患者に取り付けられ得る。例えば、脊椎手術中、ＩＭＵは、図７に示されるように、様々な脊椎レベルで患者の脊椎に取り付けられ得る。つまり、図７は、複数の椎骨の各々の各棘突起にクリップされた又は取り付けられたＩＭＵ７０３を例示する。

次に、手術中、ＩＭＵベース支援システム１０１は、患者６２０に取り付けられたＩＭＵからセンサデータを取得及び／又は要求し得る。センサデータは、ＩＭＵからＩＭＵベース支援システム１０１に、リアルタイム又は実質的にリアルタイムで、連続的に送信され得る。追加的に又は代替的に、センサデータは、要求時、例えば、特定の外科的マイルストーンが患者６２０の手術中に達せされたときに、ＩＭＵからＩＭＵベース支援システム１０１に送信され得る。

上記で参照された脊椎手術例を参照すると、術中にＩＭＵからＩＭＵベース支援システム１０１に送信されたデータは、減捻角、脊柱後弯症／脊柱前弯症の矯正、伸延／圧縮、骨折低減などの患者の属性を計測するために使用され得る。術中に計測された属性は、術前に受信されたＩＭＵデータと、並びに／又は患者の標的計測値及び／若しくは属性を含む、計算された術前計画と、比較される。例えば、人工椎間板手術では、ＩＭＵは、脊椎を適切なポジションに設定し、エンドプレートが患者の中心を中立に保つように適切に選択されることを確実にするように、計測値を得るために、異なるレベルの脊椎に配置され得る。後頸部手術について、ＩＭＵは、患者の頭部が適切に位置決めされているか否か、及び患者の凝視角度が最適であるか否かを計測及び計算するために、患者の脊椎及び頭部上に配置され得る。脊椎伸延を矯正する手術について、ＩＭＵは、例えば、椎間板腔角度を計測し、最適なケージサイズ及び角度を判定するために、関連する椎間板腔の上及び下の異なるレベルに配置される。

いくつかの実施形態では、複数の脊椎レベルに取り付けられたＩＭＵは、３Ｄの患者の脊椎の統計的形状モデルを構築するために使用される。つまり、ＩＭＵ７０３によって生成されたデータは、患者の脊椎の幾何学的特性に関する情報を生成する。ＩＭＵベース支援システム１０１は、形状モデルを生成し、医療用画像を得ることを必要とせずに、３Ｄの脊椎の矯正を追跡し得る。別の実施形態では、例えば、患者の骨盤、脊椎、及び／又は大腿骨に取り付けられたＩＭＵは、患者の骨盤の傾斜を術前及び術中に計測するために使用され得る。２つを比較することによって、システム１０１は、骨盤の傾斜が矯正されたか、又は術前計測若しくは計画に対してどのように変更されたかを判定することができる。

術後、ＩＭＵベース支援システム１０１は、術前又は術中にＩＭＵが取り付けられた患者の部位の全て又は一部で患者６２０に取り付けられたＩＭＵからセンサデータを取得及び／又は要求する。システム１０１は、患者６２０に取り付けられたＩＭＵを介してシステム１０１によって得られた術前及び／又は術後計測値を、術後センサデータと比較することによって、柔軟性及び頭部の位置決めなどの患者の属性に対する変化を計算し得る。この比較は、患者の進展及び／又は進捗をもたらす。システム１０１は、患者に対する標的矯正が手術によって達成されたか否かの確認を提供する。

ＩＭＵベース支援システム１０１は、患者の術前、術中若しくは術後の計測値、及び／又は患者の術前計画のうちの１つ又は２つ以上を示すテキスト及び／又はグラフィックを、ディスプレイ装置を介して表示することによってフィードバックを提供する。例えば、システム１０１のディスプレイ装置は、術前に取られた姿勢にある患者のイラストを提供する。患者６２０のイラストは、ＩＭＵが取り付けられた患者の身体の特定の領域の、又はその間の姿勢、角度、及び／又は湾曲を含む、患者に取り付けられたＩＭＵによって生成されたデータから得られる計測値を含み得る。システム１０１はまた、術前画像と共に表示された患者６２０の同一計測値と一緒に、術中又は術後に取られた同一姿勢にある患者も図解し得る。更に、システム１０１は、術前計画に従って患者の計測値及び／又はイラストを表示し得る。そのようなディスプレイは、システム１０１の医療専門家又は他のオペレータが、手術によって達成される進捗を視覚化することを可能にする。

第５の実施形態
図８は、ＩＭＵベース支援システム１０１の構成の別の例示的な実施形態を例示する。図８では、ＩＭＵベース支援システム１０１は、Ｃアームシステム１０５－１などの外科用システムの正確な位置合わせを提供する。図８のＩＭＵベース支援システム１０１は、システム１０１が、Ｃアームシステム１０５－１のハードウェア及び／又はソフトウェアリソースを共有するように、Ｃアームシステム１０５－１に組み込まれる。しかしながら、いくつかの実施形態では、図８と関連して説明されるシステム１０１及び１０５－１の機能性は、互いに通信する、スタンドアロンＩＭＵベース支援システム１０１及びスタンドアロンＣアームシステム１０５－１を使用して提供されてもよいことを理解されたい。

Ｃアームシステム１０５－１は、例えば、患者の手術中に、患者８３４のリアルタイム医療用画像を提供するために使用されるＸ線透視システムである。Ｃアームシステム１０５－１は、Ｘ線検出器８３０－１をＸ線源８３０－２（「Ｘ線放射器」とも称される）に接続するＣ字形アームを含み、これは、図８では見えないが、手術台８３２の下に位置決めされている。いくつかの実施形態では、Ｘ線源８３０－１及びＸ線検出器８３０－２の位置は、各々が、Ｃ字形アーム８３０の図８に表示されるものとは異なる端にあるように、反転されてもよいことを理解されたい。Ｃアームシステム１０５－１はまた、情報を入力及び出力するために使用され得るディスプレイ装置を含む。例えば、ディスプレイ装置は、患者８３４の医療用画像を出力し、患者の画像の操作などの入力を受信し得る。図８には例示されていないが、Ｃアームシステム１０５－１は、１つ又は２つ以上のプロセッサ及びメモリを含み、他のタイプ及び数の装置を含んでもよい。

Ｃアームシステム１０５－１のＣ字形アーム８３０は、所望される位置にＣ字形アーム８３０を位置決めするために、当業者に既知の様々な手段で移動及び回転させられ得る。いくつかの実施形態では、Ｃ字形アームは、水平方向、垂直方向、及び旋回軸の周りを移動することができ、患者８３４の画像が事実上任意の角度から得られることを可能にする。Ｃ字形アーム８３０は、手動で位置決めされ得るが、いくつかの実施形態では、Ｃ字形アーム８３０は、Ｃ字形アーム８３０に取り付けられたモータ、ホイール、及び他の運動機構の組み合わせを使用して、Ｃアームシステム１０５－１によって自動的に駆動され得る。それにもかかわらず、従来、Ｃ字形アーム８３０が駆動されることが所望される位置は、Ｃ字形アーム８３０が患者８３４の撮像のために配置されるべきタイミングごとに識別又は判定されなければならず、Ｃ字形アーム８３０は、そのポジションに手動で移動又は駆動されなければならない。Ｃ字形アームの位置決めは、従来、重要かつ時間がかかるプロセスであり、ヒューマンエラーを容易に受け易い。

いくつかの実施形態では、Ｃアームシステム１０５－１などのＣアームシステムは、接続されたナビゲーションシステムと統合されている走査能力を有する。一旦基準アレイが患者に配置されると、ナビゲーションカメラによって見ることができる基準を有するリングが、Ｃアーム放射器上に配置される。Ｃアームは、給電され、オペレータによって駆動されることなく、患者に対して１８０度にわたって走査を実施し得る。この１８０度（又は１８０＋度）の走査の間、Ｃアームは、複数の画像を取り込み、それらをナビゲーションシステムに供給して３Ｄモデルに再構築する。カメラは、患者の解剖学的構造に対するＣアームの各ポジションを観察し、これらを使用して、ナビゲートされている器具を仮想画像内の再構築された３Ｄ解剖学的構造に配向する。

患者８３４の解剖学的構造の関連領域の最適な画像を得るために、Ｃ字形アーム８３０は、患者８３４に対して精密な位置及び角度で位置決めされなければならない。いくつかの実施形態では、脊椎手術中、Ｃ字形アーム８３０の最適なポジションは、Ｘ線検出器８３０－１の患者に面する側面が、脊椎面に対して平行であり、及び／又はＸ線が患者８３４の脊椎面に対して垂直に放射されるポジションである。脊椎面は、各椎骨レベル間で異なるため、Ｃ字形アーム８３０は、各椎骨レベルに対して固有のポジションに配置されなければならない。図９に示されるように、Ｃアームシステム１０５－１に組み込まれたＩＭＵベース支援システム１０１は、ＩＭＵを使用してＣ字形アーム８３０の自動化された位置合わせを可能にする。

図９は、Ｃアームシステム１０５－１のＩＭＵ支援位置合わせを提供するためのシーケンス図を例示する。図９に示されるように、ＩＭＵベース支援システム１０１は、Ｃアームシステム１０５－１に組み込まれる。Ｃアームシステム１０５－１は、ＩＭＵ８０３と無線通信する。ＩＭＵ９０３の中には、図１に例示されたＩＭＵ１０３－２及び１０３－ｎがある。以下に更に詳細に説明されるように、ＩＭＵ９０３は、患者及び／又は手術台上に位置決めされられた又は取り付けられた１セットと、Ｃアームシステム１０５－１の部分に取り付けられた別のセットと、の２つのセットのＩＭＵを含む。Ｃアームシステム１０５－１はまた、椎弓根調製ツールなどのツール９０４とも無線通信する。椎弓根調製ツール９０４以外及び／又はそれに追加されたツールが、Ｃアームシステム１０５－１と通信し得ることを理解されたい。

図９と関連して説明される例示的な実施形態では、Ｃアームシステム１０５－１は、脊椎の手術に使用される。図９は、患者の各椎弓根がＣアーム１０５－１によって正確に標的化されるように、Ｃアームシステム１０５－１を最適に位置合わせ及び再位置合わせするための例示的なプロセスを説明する。つまり、図９の例示的なプロセスは、Ｃアームシステム１０５－１の位置決めを計測し、そのポジションを複製することができる。

工程９５０では、ＩＭＵ９０３の中から第１のＩＭＵセット９０３－ａが、較正をオンにされる。第１のＩＭＵセット９０３－ａは、患者又は手術台に配置又は取り付けられているＩＭＵである。図２と関連して上述されたように、ＩＭＵ９０３－ａは、患者の解剖学的ランドマーク上又はその近くなどの特定の配向に配置され得る。例えば、ＩＭＵ９０３ａは、図８に示されるＩＭＵ８０３－ａと同様に手術台上に位置決めされ得る。

一旦ＩＭＵ９０３－ａが配置され、オンにされると、それらは、それぞれのＩＭＵデータを、互いに及び／又はＩＭＵベース支援システム１０１に報告することによって較正され得る。ＩＭＵ９０３－ａの各々によって報告されたＩＭＵデータは、各ＩＭＵの位置情報を含む。ＩＭＵ９０３－ａ及び／又はＩＭＵベース支援システム１０１は、互いに対する及び／又は地面に対する、各ＩＭＵの位置又はポジションを計算し得る。ＩＭＵ９０３－ａを較正することによって、空間内のそれらの位置、したがって、その空間に対する他のＩＭＵの位置を理解又は判定することが可能である。

次に、工程９５２では、ＩＭＵデータが、第２のＩＭＵセット９０３－ｂの各ＩＭＵによって収集される。第２のＩＭＵセット９０３－ｂは、ＩＭＵ９０３からのＩＭＵで構成される。更に、第２のＩＭＵセット９０３－ｂは、Ｃアームシステム１０５－１の部分に配置又は取り付けられているＩＭＵから構成される。例えば、第２のＩＭＵセット９０３－ｂは、図８に示されるＩＭＵ８０３－ｂと同様に、Ｘ線源及び／又はＸ線検出器上に位置決めされたＩＭＵから構成され得る。工程９５２で収集されたＩＭＵデータは、ＩＭＵ９０３－ｂの各センサによって計測された情報を含む。

工程９５２では、データがＩＭＵ９０３－ｂから収集されるとき、Ｃアームシステム１０５－１のＣ字形アームは、Ｘ線放射器及び／又はＸ線検出器が地面に対して実質的に平行になるように位置決めされる。言い換えると、Ｘ線放射器及び／又はＸ線検出器が地面に対して平行であることは、それらのそれぞれの患者側面が、地面に対して実質的に平行であることを意味する。Ｃアームシステム１０５－１のこのポジションは、「０ポジション」とも称される。工程９５４では、Ｃアームシステム１０５－１が０ポジションにある間に工程９５２でＩＭＵ９０３－ｂによって収集されたＩＭＵデータが、ＩＭＵベース支援システム１０１に送信され、これは、受信された０ポジションＩＭＵデータを記憶する。

次に、工程９５６では、Ｃアームシステム１０５－１のＣ字形アームが、第１の最適なポジションに移動される。第１の最適なポジションは、当業者に既知であるように、Ｃアームシステム１０５－１が、患者の脊椎又は関心のある他の解剖学的構造で選択された椎弓根を見る及び／又は画像化するために最良に位置合わせされたポジションである。一旦Ｃアームシステム１０５－１が第１の最適なポジションに配置されると、Ｃアームシステム１０５－１に取り付けられた第２のＩＭＵセット９０３－ｂは、工程９５８でそれらのセンサからＩＭＵデータを収集する。いくつかの実施形態では、ＩＭＵデータの収集は、Ｃ字形アームが第１の最適なポジションにあることをＩＭＵ９０３－ｂに示すＣアームシステム１０５－１によってトリガされる。

工程９５８でＩＭＵ９０３－ｂによって収集されたデータは、Ｃアームシステム１０５－１のＣ字形アームのポジションを示す情報を含む。工程９５８で収集されたデータは、次に、工程９６０でＩＭＵベース支援システム１０１に送信される。次に、工程９６２では、システム１０１は、０ポジション及び／又はＩＭＵ９０３－ａのポジションに対する、第１の最適なポジションにあるＣ字形アームの相対ポジションを計算する。第１の最適なポジションにあるＣ字形アームの相対ポジションを計算することは、工程９６０で受信されたＩＭＵデータ及び工程９５４で受信された０ポジションデータに基づく。

術中環境では、Ｃアームシステム１０５－１のＣ字形アームは、工程９６４で第１の最適なポジションから除去されて０ポジションに戻され、それにより、患者は、障害なく手術され得る。所望されるとき、Ｃアームシステム１０５－１は、記録された第１の最適なポジションによって示される位置合わせに自動的に戻され得る。第１の最適なポジションが、患者及び／又は手術台に対するＣ字形アームのポジションであるため、Ｃアームシステム１０５－１は、常に、第１の最適なポジションに正確に戻ることができ、それによって、エラー及び無駄な時間の潜在性を低減又は排除することができる。

Ｃアームシステム１０５－１が除去された状態で、椎弓根調製ツール９０４などのＩＭＵ対応外科用器具が、骨アンカーを椎弓根内に調製、サイズ決め、及び移植するために使用され得る。椎弓根調製ツール９０４の位置は、そのセンサによって生成されたデータから識別可能である。更に、患者及び／又は手術台に対する椎弓根調製ツール９０４の位置は、調製ツール９０４のＩＭＵのデータ及び第１のＩＭＵセット９０３－ａのデータから計算され得る。

工程９６６では、Ｃアームシステム１０５－１のディスプレイ装置が、図８に例示されたディスプレイ装置８３６と同様、椎弓根調製ツール９０４が動作される際の術中フィードバックを提供するために使用される。術中フィードバックは、ディスプレイ装置によって連続的に提供されてもよく、又は要求されたときに提供されてもよい。

Ｃアームシステムのディスプレイ装置は、ＩＭＵ対応椎弓根調製ツール９０４を患者の椎弓根の所望される部分にガイドするために、視覚的及び数字の合図を描画し得る。ＩＭＵベース支援システム１０１は、（１）ツール９０４のＩＭＵによって生成されたデータ、（２）患者及び／又は手術台の絶対位置及び相対位置を画定する第１のＩＭＵセット９０３－ａによって生成されたデータ、並びに（３）患者の椎弓根の絶対位置及び相対位置を画定するＩＭＵ９０３－ｂによって生成されたデータのうちの１つ又は２つ以上に基づいて、患者の椎弓根、患者の画像、及び／又は実際の患者に対する椎弓根調製ツール９０４の位置を判定し得る。

いくつかの実施形態では、椎弓根調製ツール９０４を、Ｃアームシステム１０５－１のＸ線源又はＸ線検出器の面に直交する方向で、椎弓根の中心の下に位置決めすることが望ましい。そのような場合、ディスプレイ装置は、Ｃアームシステム１０５－１の第１の最適なポジションと関連して工程９６０で受信されたＩＭＵデータに基づいて、椎弓根調製ツール９０４を椎弓根の所望されるエリアに位置決めするために、フィードバックを提供する。術中フィードバックを提供する他の例は、図２と関連して上述されている。

図９の工程９５６～工程９６６は、患者の脊椎の各追加の椎弓根に対して繰り返され得る。つまり、工程９５６では、Ｃアームシステム１０５－１のＣ字形アームは、代わりに、Ｃ字形アームが患者の次の椎弓根を最良に見る及び／又は撮像するように位置合わせされる第２の最適なポジションに移動され得る。

図９には例示されていないが、各最適なポジションにあるＣアームシステム１０５－１の相対ポジションは、患者の各対応する椎弓根と関連して記録され得る。記録された情報は、特定の椎弓根のＣアームシステム１０５－１の可能性のあるポジションを計算又は予測するために後で使用され得る共通の椎弓根角度のデータベースに追加され得る。

図１～図９に図示されるか又はそれらと関連して考察されるシステム及び手順を含む、上記の例示的な実施形態又はそれらの機能の任意の部分は、ハードウェア、ソフトウェア、又は２つの組み合わせを使用することによって実装され得る。実装は、１つ又は２つ以上のコンピュータ又は他の処理システム内であってもよい。これらの例示的な実施形態によって実施される操作は、人間の知的活動と一般的に関連付けられた用語で言及されている場合があるが、本明細書に説明される動作のうちのいずれも人間のオペレータが実施することを必要としない。言い換えると、動作は、機械動作で完全に実施され得る。本明細書に提示される例示的な実施形態の動作を実行するための有用なマシンとしては、汎用デジタルコンピュータ又は同様の装置が挙げられる。

本明細書に説明される例示的な実施形態の一部分は、コンピュータ技術分野の知識を有する者にとって明らかであるように、従来の汎用コンピュータ、専用デジタルコンピュータ、及び／又は本開示の教示に従ってプログラムされたマイクロプロセッサを使用することによって好都合に実装され得る。適切なソフトウェアコードは、本開示の教示に基づいて、知識を有するプログラマによって容易に準備され得る。

いくつかの実施形態はまた、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイの調製、又は従来の構成要素回路の適切なネットワークを相互接続することによっても実装され得る。

いくつかの実施形態は、コンピュータプログラム製品を含む。コンピュータプログラム製品は、そこに記憶された命令を有する、非一時的記憶媒体又はメディアとすることができ、これは、本明細書に説明される例示的な実施形態の手順のいずれかを実施するようにコンピュータを制御するか、又はコンピュータに行わせるために使用され得る。記憶媒体としては、非限定的に、フロッピーディスク、ミニディスク、光ディスク、Ｂｌｕ－ｒａｙ Ｄｉｓｃ、ＤＶＤ、ＣＤ若しくはＣＤ－ＲＯＭ、マイクロドライブ、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＤＲＡＭ、ＶＲＡＭ、フラッシュメモリ、フラッシュカード、磁気カード、光カード、ナノシステム、分子メモリ集積回路、ＲＡＩＤ、リモートデータストレージ／アーカイブ／ウェアハウス、並びに／又は命令及び／若しくはデータを記憶するために好適な任意の他のタイプの装置が挙げられ得る。

非一時的コンピュータ可読媒体又はメディアのいずれか１つに記憶された、いくつかの実装は、汎用及び／又は専用の両方のコンピュータ又はマイクロプロセッサのハードウェアを制御するための、並びにコンピュータ又はマイクロプロセッサが本明細書に説明される例示的な実施形態の結果を利用して人間のユーザ又は他の機構と相互作用することを可能にするためのソフトウェアを含む。そのようなソフトウェアとしては、非限定的に、装置ドライバ、オペレーティングシステム、及びユーザアプリケーションが挙げられ得る。最終的に、そのようなコンピュータ可読メディアは、上記のシステム及び方法の例示的な態様を実施するためのソフトウェアを更に含む。

汎用及び／又は専用のコンピュータ又はマイクロプロセッサのプログラミング及び／又はソフトウェアには、上記の手順を実装するためのソフトウェアモジュールが含められる。

様々な例示的な実施形態について上述されてきたが、それらは、例として提示されており、限定ではないことを理解されたい。形態及び詳細の様々な変更がその中で行われ得ることは、関連技術の知識を有する者にとって明らかである。したがって、本開示は、上述の例示的な実施形態のいずれかによっても限定されるべきではない。

加えて、図面は、例示の目的のみで提示されることを理解されたい。本明細書に提示される例示的な実施形態のアーキテクチャは、添付図面に示されるもの以外の素段で利用及びナビゲートされ得るように、十分に柔軟かつ構成可能である。

更に、要約の目的は、概して米国特許商標庁及び公衆、特に、特許又は法律の用語又は語法に精通していない当該技術分野の科学者、エンジニア、及び施術者が、本出願の技術的開示の性質及び本質を大まかな閲覧から迅速に判断することを可能にすることである。要約は、何ら本明細書に提示される例示的な実施形態の範囲に限定することを意図するものではない。また、特許請求の範囲に記載される手順は、提示される順序で実施される必要がないことも理解されたい。

当業者であれば、上述の実施形態に基づいた本開示の更なる特徴及び利点を理解するであろう。したがって、本開示は、具体的に示され、かつ説明されている内容によって限定されるものではない。本明細書において引用されている全ての刊行物及び参照文献は、それらの全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれている。

〔実施の態様〕
（１） 手術支援を提供するためのシステムであって、
プロセッサであって、
撮像装置から、１つ又は２つ以上の医療用画像を受信することであって、前記１つ又は２つ以上の医療用画像が、（１）患者の解剖学的構造の１つ又は２つ以上の図、及び（２）既知のサイズの１つ又は２つ以上のマーカーを表す、受信することと、
前記１つ又は２つ以上のマーカーの各々の前記既知のサイズに基づいて、前記１つ又は２つ以上の医療用画像内に表される前記患者の解剖学的構造のサイズを較正することと、
前記患者の解剖学的構造の３次元（３Ｄ）表現を、
（１）前記１つ又は２つ以上の医療用画像内に表される前記患者の解剖学的構造に一致する１つ又は２つ以上の解剖学的画像と、
（２）前記１つ又は２つ以上の医療用画像及び前記３Ｄ表現上で識別された１つ又は２つ以上の解剖学的ランドマークと、に基づいて、生成することと、
前記患者の解剖学的構造の前記３Ｄ表現に基づいて手術パラメータを計算することと、
第１の慣性計測装置（ＩＭＵ）データを第１のＩＭＵセットから受信することと、
前記第１のＩＭＵデータに基づいて、前記患者の実世界の解剖学的構造を前記３Ｄ表現に一致させることと、
（１）前記手術パラメータ、及び（２）１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールに対応する第２のＩＭＵセットから受信された第２のＩＭＵデータのうちの１つ又は２つ以上に基づいて、手術フィードバックを出力することと、を行うように動作可能である、プロセッサを備える、システム。
（２） 前記患者の解剖学的構造に一致する前記１つ又は２つ以上の解剖学的画像が、通信可能に連結されたデータベース又はアトラス内に記憶された既存の解剖学的画像セットの中から識別される、実施態様１に記載のシステム。
（３） 前記１つ又は２つ以上の解剖学的画像が、最良適合法を使用して前記患者の解剖学的構造に対して一致される、実施態様２に記載のシステム。
（４） 前記手術パラメータが、（１）骨アンカー挿入位置、（２）骨アンカー軌道、及び（３）骨アンカー深さのうちの１つ又は２つ以上を含む、実施態様１に記載のシステム。
（５） 前記手術パラメータが、前記患者の解剖学的構造の前記３Ｄ表現に対して計測される、実施態様４に記載のシステム。

（６） 前記第１のＩＭＵセットが、前記患者及び／又は前記患者に対応する手術台上に、前記患者に対して第１の配向で位置決めされている、実施態様１に記載のシステム。
（７） 前記第１のＩＭＵデータが、前記ＩＭＵの各々の絶対位置を含む、実施態様６に記載のシステム。
（８） 前記プロセッサが、前記第１のＩＭＵデータに基づいて、前記第１のＩＭＵセット内の前記ＩＭＵの各々の相対位置を計算するように更に動作可能である、実施態様７に記載のシステム。
（９） 前記第１のＩＭＵデータが、前記ＩＭＵの各々の前記相対位置を含む、実施態様７に記載のシステム。
（１０） 前記患者の前記実世界の解剖学的構造を前記３Ｄ表現に一致させることが、
前記ＩＭＵ対応ツールのうちの１つを使用して、前記患者の前記実世界の解剖学的構造上の接触点に入力要求を提供することと、
前記実世界の解剖学的構造の前記接触点を、前記３Ｄ表現上の対応する点に関連付けることと、を含む、実施態様１に記載のシステム。

（１１） 前記手術フィードバックの前記出力が、前記手術フィードバックをディスプレイ装置上に描画させる、実施態様１に記載のシステム。
（１２） 前記手術フィードバックが、前記患者の解剖学的構造に対する前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールのそれぞれの位置において、前記３Ｄ表現上に重ねられた前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールの視覚的表現を含む、実施態様１１に記載のシステム。
（１３） 前記手術フィードバックが、前記手術パラメータの視覚的表現を更に含む、実施態様１２に記載のシステム。
（１４） 前記プロセッサに通信可能に連結された少なくとも１つのメモリを更に備え、前記少なくとも１つのメモリが、既存の解剖学的画像の前記データベース又はアトラスを記憶するように動作可能である、実施態様２に記載のシステム。
（１５） 手術支援を提供するための方法であって、
撮像装置から、１つ又は２つ以上の医療用画像を受信することであって、前記１つ又は２つ以上の医療用画像が、（１）患者の解剖学的構造の１つ又は２つ以上の図、及び（２）既知のサイズの１つ又は２つ以上のマーカーを表す、受信することと、
前記１つ又は２つ以上のマーカーの各々の前記既知のサイズに基づいて、前記１つ又は２つ以上の医療用画像内に表される前記患者の解剖学的構造のサイズを較正することと、
前記患者の解剖学的構造の３次元（３Ｄ）表現を、
（１）前記１つ又は２つ以上の医療用画像内に表される前記患者の解剖学的構造に一致する１つ又は２つ以上の解剖学的画像と、
（２）前記１つ又は２つ以上の医療用画像及び前記３Ｄ表現上で識別された１つ又は２つ以上の解剖学的ランドマークと、に基づいて、生成することと、
前記患者の解剖学的構造の前記３Ｄ表現に基づいて手術パラメータを計算することと、
第１の慣性計測装置（ＩＭＵ）データを第１のＩＭＵセットから受信することと、
前記第１のＩＭＵデータに基づいて、前記患者の実世界の解剖学的構造を前記３Ｄ表現に一致させることと、
（１）前記手術パラメータ、及び（２）１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールに対応する第２のＩＭＵセットから受信された第２のＩＭＵデータのうちの１つ又は２つ以上に基づいて、手術フィードバックを出力することと、を含む、方法。

（１６） 前記患者の解剖学的構造に一致する前記１つ又は２つ以上の解剖学的画像が、通信可能に連結されたデータベース又はアトラス内に記憶された既存の解剖学的画像セットの中から識別される、実施態様１５に記載の方法。
（１７） 前記１つ又は２つ以上の解剖学的画像が、最良適合法を使用して前記患者の解剖学的構造に対して一致される、実施態様１６に記載の方法。
（１８） 術前パラメータが、（１）骨アンカー挿入位置、（２）骨アンカー軌道、及び（３）骨アンカー深さのうちの１つ又は２つ以上を含む、実施態様１５に記載の方法。
（１９） 前記術前パラメータが、前記患者の解剖学的構造の前記３Ｄ表現に対して計測される、実施態様１８に記載の方法。
（２０） 前記第１のＩＭＵセットが、前記患者及び／又は前記患者に対応する手術台上に、前記患者に対して第１の配向で位置決めされている、実施態様１５に記載の方法。

（２１） 前記第１のＩＭＵデータが、前記ＩＭＵの各々の絶対位置を含む、実施態様２０に記載の方法。
（２２） 前記プロセッサが、前記第１のＩＭＵデータに基づいて、前記第１のＩＭＵセット内の前記ＩＭＵの各々の相対位置を計算するように更に動作可能である、実施態様２１に記載の方法。
（２３） 前記第１のＩＭＵデータが、前記ＩＭＵの各々の前記相対位置を含む、実施態様２１に記載の方法。
（２４） 前記患者の前記実世界の解剖学的構造を前記３Ｄ表現に一致させることが、
前記ＩＭＵ対応ツールのうちの１つを使用して、前記患者の前記実世界の解剖学的構造上の接触点に入力要求を提供することと、
前記実世界の解剖学的構造の前記接触点を、前記３Ｄ表現上の対応する点に関連付けることと、を含む、実施態様１５に記載の方法。
（２５） 前記手術フィードバックの前記出力が、前記手術フィードバックをディスプレイ装置上に描画させる、実施態様１５に記載の方法。

（２６） 前記手術フィードバックが、前記患者の解剖学的構造に対する前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールのそれぞれの位置において、前記３Ｄ表現上に重ねられた前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールの視覚的表現を含む、実施態様２５に記載の方法。
（２７） 前記手術フィードバックが、前記術前パラメータの視覚的表現を更に含む、実施態様２６に記載の方法。
（２８） 前記プロセッサに通信可能に連結された少なくとも１つのメモリを更に備え、前記少なくとも１つのメモリが、既存の解剖学的画像の前記データベース又はアトラスを記憶するように動作可能である、実施態様１６に記載の方法。
（２９） 外科用ナビゲーションシステムであって、
１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具であって、前記ＩＭＵ対応器具の各ＩＭＵからＩＭＵデータを術中に収集するように動作可能である、ＩＭＵ対応器具と、
前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の術中の移動及び位置を追跡するように動作可能である、カメラと、
ＩＭＵベース支援システムであって、
前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの１つの前記移動及び位置の前記追跡のエラーの存在を判定することと、
前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの前記少なくとも１つから前記ＩＭＵデータを収集することと、
前記ＩＭＵデータを使用して、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの前記１つの前記移動及び位置の前記追跡を補完することと、によって、手術フィードバックを提供するように動作可能である、ＩＭＵベース支援システムと、を備える、外科用ナビゲーションシステム。
（３０） エラーの前記存在は、（１）前記カメラの視線に対する前記ＩＭＵ対応器具のうちの１つ又は２つ以上の角度が、閾値を超えていること、（２）前記ＩＭＵ対応器具のうちの１つ又は２つ以上が、前記カメラの前記視線の外側にあること、及び（３）前記カメラが、誤動作していることのうちの１つ又は２つ以上によってトリガされる、実施態様２９に記載のシステム。

（３１） 前記手術フィードバックの前記提供が、前記ＩＭＵデータに基づいて、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの前記１つの補正係数を計算することを更に含み、
前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの前記１つの前記移動及び位置の前記追跡の前記補完が、前記補正係数を更に使用する、実施態様２９に記載のシステム。
（３２） 前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具が、着色マーカーを含み、
前記カメラが、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の前記着色マーカーを識別することによって、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の前記移動及び位置を追跡する、実施態様２９に記載のシステム。
（３３） 前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の前記ＩＭＵが、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具に埋め込まれるか、又は取り外し可能に取り付けられている、実施態様２９に記載のシステム。
（３４） 前記ＩＭＵデータが、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の前記絶対位置と、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の前記相対位置と、を含む、実施態様２９に記載のシステム。
（３５） 前記カメラが、ＩＭＵを含む、実施態様３４に記載のシステム。

（３６） 前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の各々の前記相対位置が、前記カメラによって可視化される際に、（１）前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具、（２）前記カメラ、及び（３）患者の解剖学的構造のうちの１つ又は２つ以上に対する、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具の位置を示す、実施態様３５に記載のシステム。
（３７） 外科用ナビゲーション方法であって、
手術フィードバックを、
カメラを使用して実施されるＩＭＵ対応器具の移動及び位置の追跡のエラーの存在を判定することであって、前記ＩＭＵ対応器具が、ＩＭＵを含み、そこからＩＭＵデータを術中に収集するように動作可能である、判定することと、
前記ＩＭＵ対応器具から前記ＩＭＵデータを収集することと、
前記ＩＭＵデータを使用して、１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のうちの前記１つの移動及び位置の前記追跡を補完することと、によって提供することを含む、方法。
（３８） エラーの前記存在は、（１）前記カメラの視線に対する前記ＩＭＵ対応器具の角度が、閾値を超えていること、（２）前記ＩＭＵ対応器具が、前記カメラの前記視線の外側にあること、及び（３）前記カメラが、誤動作していることのうちの１つ又は２つ以上によってトリガされる、実施態様３７に記載の方法。
（３９） 前記手術フィードバックの前記提供が、前記ＩＭＵデータに基づいて、前記ＩＭＵ対応器具の補正係数を計算することを更に含み、
前記ＩＭＵ対応器具の前記移動及び位置の前記追跡の前記補完が、前記補正係数を更に使用する、実施態様３７に記載の方法。
（４０） 前記ＩＭＵ対応器具が、着色マーカーを含み、
前記カメラが、前記ＩＭＵ対応器具の前記着色マーカーを識別することによって、前記ＩＭＵ対応器具の前記移動及び位置を追跡する、実施態様３７に記載の方法。

（４１） 前記ＩＭＵ対応器具の前記ＩＭＵが、前記ＩＭＵ対応器具に埋め込まれるか、又は取り外し可能に取り付けられている、実施態様３７に記載の方法。
（４２） 前記ＩＭＵデータが、前記ＩＭＵ対応器具の前記絶対位置と、前記ＩＭＵ対応器具の前記相対位置と、を含む、実施態様３７に記載の方法。
（４３） 前記カメラが、ＩＭＵを含む、実施態様４２に記載の方法。
（４４） 前記ＩＭＵ対応器具の前記相対位置が、前記カメラによって可視化される際に、（１）他のＩＭＵ対応器具、（２）前記カメラ、及び（３）患者の解剖学的構造のうちの１つ又は２つ以上に対する、前記ＩＭＵ対応器具の位置を示す、実施態様４３に記載の方法。
（４５） ＩＭＵベース支援システムであって、
少なくとも１つのメモリと、
前記少なくとも１つのメモリに通信可能に連結されたプロセッサであって、
第１のインスタンスで第１の物理的ポジションに関与する患者に取り付けられた複数のＩＭＵから第１のＩＭＵデータを収集することと、
前記第１のＩＭＵデータに基づいて、前記患者の第１の属性を計算することと、
前記少なくとも１つのメモリに、前記第１のＩＭＵデータ及び前記第１の属性を記憶することと、
前記第１のインスタンスの後、第２のインスタンスで前記第１の物理的ポジションに関与する前記患者に取り付けられた前記複数のＩＭＵから第２のＩＭＵデータを収集することと、
前記第２のＩＭＵデータに基づいて、前記患者の第２の属性を計算することと、
前記第１の属性を前記第２の属性と比較することによって、前記患者の解剖学的構造に対する変化を識別することと、を行うように動作可能である、プロセッサと、を備える、システム。

（４６） 前記第１のインスタンスが、術前に発生し、前記第２のインスタンスが、術中又は術後に発生する、実施態様４５に記載のシステム。
（４７） 前記複数のＩＭＵが、ストラップ、接着剤、又は衣類のうちの１つ又は２つ以上を使用して、皮膚レベルで前記患者に取り付けられる、実施態様４５に記載のシステム。
（４８） 前記患者の前記第１の属性及び前記第２の属性が、前記患者の柔軟性を各々含む、実施態様４５に記載のシステム。
（４９） 前記プロセッサが、
前記少なくとも１つのメモリから、又はネットワークを介して、標準計測値を取得することと、
前記第１のＩＭＵデータ又は第１の属性を前記標準計測値と比較することと、
前記第１のＩＭＵデータ又は第１の属性と前記標準計測値との比較に基づいて、前記患者の状態を評価することと、を行うように更に動作可能である、実施態様４５に記載のシステム。
（５０） ＩＭＵベース支援システムであって、
少なくとも１つのメモリと、
前記少なくとも１つのメモリに通信可能に連結されたプロセッサであって、
第１のインスタンスで第１の物理的ポジションに関与する患者に取り付けられた複数のＩＭＵから第１のＩＭＵデータを収集することと、
前記第１のＩＭＵデータに基づいて、前記患者の第１の属性を計算することと、
前記少なくとも１つのメモリに、前記第１のＩＭＵデータ及び前記第１の属性を記憶することと、
前記第１のインスタンスの後、第２のインスタンスで前記第１の物理的ポジションに関与する前記患者に取り付けられた前記複数のＩＭＵから第２のＩＭＵデータを収集することと、
前記第２のＩＭＵデータに基づいて、前記患者の第２の属性を計算することと、
前記第１の属性を前記第２の属性と比較することによって、前記患者の解剖学的構造に対する変化を識別することと、を行うように動作可能である、プロセッサと、を備える、システム。

（５１） 前記第１のインスタンスが、術前に発生し、前記第２のインスタンスが、術中又は術後に発生する、実施態様５０に記載のシステム。
（５２） 前記複数のＩＭＵが、ストラップ、接着剤、又は衣類のうちの１つ又は２つ以上を使用して、皮膚レベルで前記患者に取り付けられる、実施態様５０に記載のシステム。
（５３） 前記患者の前記第１の属性及び前記第２の属性が、前記患者の柔軟性を各々含む、実施態様５０に記載のシステム。
（５４） 前記プロセッサが、
前記少なくとも１つのメモリから、又はネットワークを介して、標準計測値を取得することと、
前記第１のＩＭＵデータ又は第１の属性を前記標準計測値と比較することと、
前記第１のＩＭＵデータ又は第１の属性と前記標準計測値との比較に基づいて、前記患者の状態を評価することと、を行うように更に動作可能である、実施態様５０に記載のシステム。
（５５） ＩＭＵベースの位置合わせを提供するためのシステムであって、
患者を撮像するための医療用撮像装置であって、前記医療用撮像装置が、前記患者又は手術台に対して移動可能であり、前記患者又は前記手術台が、そこに取り付けられた第１のＩＭＵセットを有し、
前記医療用撮像装置が、撮像源及び撮像検出器を含み、前記撮像検出器が、そこに取り付けられた第２のＩＭＵセットを有する、医療用撮像装置と、
前記医療用撮像装置に通信可能に連結されたＩＭＵベース支援システムと、を備え、前記ＩＭＵベース支援システムが、
前記第２のＩＭＵセットから第１のＩＭＵデータを受信することであって、前記第１のＩＭＵデータは、前記医療用撮像装置が第１のポジションにあるときに得られた情報を含む、受信することと、
前記第２のＩＭＵセットから第２のＩＭＵデータを受信することであって、前記第２のＩＭＵデータは、前記医療用撮像装置が第２のポジションにあるときに得られた情報を含む、受信することと、
（１）前記第１のポジションにある前記医療用撮像装置、又は（２）前記患者若しくは前記手術台に対して計測された前記第２のポジションでの前記医療用撮像装置の相対ポジションを計算することと、によって、前記医療用撮像装置の位置合わせを提供するように動作可能である、システム。

（５６） 前記医療用撮像装置が、Ｃアームであり、前記Ｃアームの各端に放射器及び検出器を含む、実施態様５５に記載のシステム。
（５７） 前記第１のＩＭＵセットが、前記Ｃアームの前記放射器及び前記検出器に取り付けられている、実施態様５６に記載のシステム。
（５８） 前記ＩＭＵベース支援システムが、前記第２のポジションでの前記医療用撮像装置の前記相対ポジションを計算した後に、前記医療用撮像装置を前記第１のポジションから前記第２のポジションにガイドすることによって、前記医療用撮像装置の前記位置合わせを提供するように動作可能である、実施態様５５に記載のシステム。
（５９） 前記ＩＭＵベース支援システムが、前記第２のポジションでの前記医療用撮像装置の前記相対ポジションを計算した後に、前記Ｃアームを前記第１のポジションから前記第２のポジションに駆動することによって、前記医療用撮像装置の前記位置合わせを提供するように動作可能である、実施態様５６に記載のシステム。
（６０） 前記医療用撮像装置が、前記第１のポジションでは、前記患者から離れた地上ポジションにあり、
前記医療用撮像装置が、前記第２のポジションでは、前記患者の第１の部分を撮像するように位置合わせされる、実施態様５５に記載のシステム。

（６１） 前記第１のＩＭＵデータ及び前記第２のＩＭＵデータが、前記医療用撮像装置の位置情報を含む、実施態様５５に記載のシステム。
（６２） 前記ＩＭＵベース支援システムが、ディスプレイ装置を介して術中フィードバックを提供するように更に動作可能であり、前記術中フィードバックが、前記患者に対する１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具のポジションを示す、実施態様５５に記載のシステム。
（６３） 前記術中フィードバックが、前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応器具から受信された第３のＩＭＵデータに基づいて生成される、実施態様６２に記載のシステム。

Claims (24)

1. 手術支援を提供するためのシステムであって、
   プロセッサであって、
   撮像装置から、１つ又は２つ以上の医療用画像を受信することであって、前記１つ又は２つ以上の医療用画像が、（１）患者の解剖学的構造の１つ又は２つ以上の図、及び（２）既知のサイズの１つ又は２つ以上のマーカーを表す、受信することと、
   前記１つ又は２つ以上のマーカーの各々の前記既知のサイズに基づいて、前記１つ又は２つ以上の医療用画像内に表される前記患者の解剖学的構造のサイズを較正することと、
   前記患者の解剖学的構造の３次元（３Ｄ）表現を、
   （１）前記１つ又は２つ以上の医療用画像内に表される前記患者の解剖学的構造に一致する１つ又は２つ以上の解剖学的画像と、
   （２）前記１つ又は２つ以上の医療用画像及び前記３Ｄ表現上で識別された１つ又は２つ以上の解剖学的ランドマークと、に基づいて、生成することと、
   前記患者の解剖学的構造の前記３Ｄ表現に基づいて手術パラメータを計算することと、
   前記患者及び／又は前記患者に対応する手術台上に、前記患者に対して第１の配向で位置決めされている第１のＩＭＵセットから、当該第１のＩＭＵセットの位置を示す第１の慣性計測装置（ＩＭＵ）データを受信することと、
   ＩＭＵ対応ツールから、前記第１のＩＭＵセットに対する相対的な位置を示す第２の慣性計測装置（ＩＭＵ）データを受信することと、
   前記ＩＭＵ対応ツールが前記患者の実世界の解剖学的構造上の特定の点に接触した際の前記第２の慣性計測装置（ＩＭＵ）データに基づいて、前記実世界の解剖学的構造上の特定の点を、対応する前記３Ｄ表現上の解剖学的構造上の特定の点に相関させることにより、前記患者の実世界の解剖学的構造を前記３Ｄ表現に一致させることと、
   （１）前記手術パラメータ、及び（２）１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールに対応する第２のＩＭＵセットから受信された第３のＩＭＵデータのうちの１つ又は２つ以上に基づいて、手術フィードバックを出力することと、を行うように動作可能である、プロセッサを備える、システム。
2. 前記患者の解剖学的構造に一致する前記１つ又は２つ以上の解剖学的画像が、通信可能に連結されたデータベース又はアトラス内に記憶された既存の解剖学的画像セットの中から識別される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記１つ又は２つ以上の解剖学的画像が、最良適合法を使用して前記患者の解剖学的構造に対して一致される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記手術パラメータが、（１）骨アンカー挿入位置、（２）骨アンカー軌道、及び（３）骨アンカー深さのうちの１つ又は２つ以上を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記手術パラメータが、前記患者の解剖学的構造の前記３Ｄ表現に対して計測される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１のＩＭＵデータが、前記ＩＭＵの各々の絶対位置を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記プロセッサが、前記第１のＩＭＵデータに基づいて、前記第１のＩＭＵセット内の前記ＩＭＵの各々の相対位置を計算するように更に動作可能である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１のＩＭＵデータが、前記ＩＭＵの各々の前記相対位置を含む、請求項６に記載のシステム。
9. 前記手術フィードバックの前記出力が、前記手術フィードバックをディスプレイ装置上に描画させる、請求項１に記載のシステム。
10. 前記手術フィードバックが、前記患者の解剖学的構造に対する前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールのそれぞれの位置において、前記３Ｄ表現上に重ねられた前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールの視覚的表現を含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記手術フィードバックが、前記手術パラメータの視覚的表現を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記プロセッサに通信可能に連結された少なくとも１つのメモリを更に備え、前記少なくとも１つのメモリが、既存の解剖学的画像の前記データベース又はアトラスを記憶するように動作可能である、請求項２に記載のシステム。
13. 手術支援を提供するためのシステムに備えられるプロセッサが以下の各工程を実行する医療機器の作動方法であって、
    撮像装置から、１つ又は２つ以上の医療用画像を受信することであって、前記１つ又は２つ以上の医療用画像が、（１）患者の解剖学的構造の１つ又は２つ以上の図、及び（２）既知のサイズの１つ又は２つ以上のマーカーを表す、受信することと、
    前記１つ又は２つ以上のマーカーの各々の前記既知のサイズに基づいて、前記１つ又は２つ以上の医療用画像内に表される前記患者の解剖学的構造のサイズを較正することと、
    前記患者の解剖学的構造の３次元（３Ｄ）表現を、
    （１）前記１つ又は２つ以上の医療用画像内に表される前記患者の解剖学的構造に一致する１つ又は２つ以上の解剖学的画像と、
    （２）前記１つ又は２つ以上の医療用画像及び前記３Ｄ表現上で識別された１つ又は２つ以上の解剖学的ランドマークと、に基づいて、生成することと、
    前記患者の解剖学的構造の前記３Ｄ表現に基づいて手術パラメータを計算することと、
    前記患者及び／又は前記患者に対応する手術台上に、前記患者に対して第１の配向で位置決めされている第１のＩＭＵセットから、当該第１のＩＭＵセットの位置を示す第１の慣性計測装置（ＩＭＵ）データを受信することと、
    ＩＭＵ対応ツールから、前記第１のＩＭＵセットに対する相対的な位置を示す第２の慣性計測装置（ＩＭＵ）データを受信することと、
    前記ＩＭＵ対応ツールによって取得された前記患者の実世界の解剖学的構造上の特定の点を示す前記第２の慣性計測装置（ＩＭＵ）データに基づいて、前記実世界の解剖学的構造上の特定の点を、対応する前記３Ｄ表現上の解剖学的構造上の特定の点に相関させることにより、前記患者の実世界の解剖学的構造を前記３Ｄ表現に一致させることと、
    （１）前記手術パラメータ、及び（２）１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールに対応する第２のＩＭＵセットから受信された第３のＩＭＵデータのうちの１つ又は２つ以上に基づいて、手術フィードバックを出力することと、を含む、医療機器の作動方法。
14. 前記患者の解剖学的構造に一致する前記１つ又は２つ以上の解剖学的画像が、通信可能に連結されたデータベース又はアトラス内に記憶された既存の解剖学的画像セットの中から識別される処理を前記プロセッサが実行する、請求項１３に記載の医療機器の作動方法。
15. 前記１つ又は２つ以上の解剖学的画像が、最良適合法を使用して前記患者の解剖学的構造に対して一致される処理をプロセッサが実行する、請求項１４に記載の医療機器の作動方法。
16. 前記手術パラメータが、（１）骨アンカー挿入位置、（２）骨アンカー軌道、及び（３）骨アンカー深さのうちの１つ又は２つ以上を含む、請求項１３に記載の医療機器の作動方法。
17. 前記手術パラメータが、前記患者の解剖学的構造の前記３Ｄ表現に対して計測される、請求項１６に記載の医療機器の作動方法。
18. 前記第１のＩＭＵデータが、前記ＩＭＵの各々の絶対位置を含む、請求項１３に記載の医療機器の作動方法。
19. 前記第１のＩＭＵデータに基づいて、前記第１のＩＭＵセット内の前記ＩＭＵの各々の相対位置を計算する処理を前記プロセッサが実行する、請求項１８に記載の医療機器の作動方法。
20. 前記第１のＩＭＵデータが、前記ＩＭＵの各々の前記相対位置を含む、請求項１８に記載の医療機器の作動方法。
21. 前記手術フィードバックの前記出力が、前記手術フィードバックをディスプレイ装置上に描画させる、請求項１３に記載の医療機器の作動方法。
22. 前記手術フィードバックが、前記患者の解剖学的構造に対する前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールのそれぞれの位置において、前記３Ｄ表現上に重ねられた前記１つ又は２つ以上のＩＭＵ対応ツールの視覚的表現を含む、請求項２１に記載の医療機器の作動方法。
23. 前記手術フィードバックが、前記手術パラメータの視覚的表現を更に含む、請求項２２に記載の医療機器の作動方法。
24. 前記プロセッサに通信可能に連結された少なくとも１つのメモリに、既存の解剖学的画像の前記データベース又はアトラスを記憶する処理を前記プロセッサが実行する、請求項１４に記載の医療機器の作動方法。

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